SLAM+語音機器人DIY系列：（六）SLAM建圖與自主避障導航——1.在機器人上使用傳感器

時間 2020-04-22

標籤 slam 語音機器人 diy 系列自主導航使用傳感器简体版

原文原文鏈接

摘要

經過前面的基礎學習，本章進入最爲激動的機器人自主導航的學習。在前面的學習鋪墊後，終於迎來了最大樂趣的時刻，就是賦予咱們的miiboo機器人能自由行走的生命。本章將圍繞機器人SLAM建圖、導航避障、巡航、監控等內容展開。本章內容：html

1.在機器人上使用傳感器python

2.google-cartographer機器人SLAM建圖nginx

3.ros-navigation機器人自主避障導航git

4.多目標點導航及任務調度github

5.機器人巡航與現場監控算法

1.在機器人上使用傳感器

SLAM建圖須要用到底盤、激光雷達和IMU，因此這裏詳細介紹如何在機器人上使用這些傳感器。要使用這些傳感器也很簡單，就是在機器人上開啓相應傳感器的ROS驅動節點，在設置合適的可配參數就好了。django

須要注意的是，底盤、激光雷達、IMU這三個傳感器都使用串口與樹莓派通訊，爲了防止每次開機這三個設備的串口號發生變更，須要將串口號進行綁定與重映射，操做方法在前面已經介紹過了，若是尚未綁定直接前往前面相關內容參考。ubuntu

這裏將創建一個叫catkin_ws的ROS工做空間，專門用於存放機器人傳感器相關的ROS驅動功能包。關於建立ROS工做空間的操做，請參考前面相應部份內容，這裏就不作講解。centos

1.1.使用底盤

在機器人上只須要使用miiboo這個驅動包就能夠驅動底盤了。將miiboo這個驅動包拷貝到~/catkin_ws/src/中，編譯後就可使用了。miiboo驅動包文件結構，如圖1。miiboo驅動包中含有兩個ROS功能包miiboo_bringup和miiboo_description，驅動miiboo底盤、底盤PID整定、里程計標定這些功能包含在miiboo_bringup中，miiboo底盤urdf模型包含在miiboo_description中。數組

（圖1）miiboo驅動包文件結構

底盤控制可配參數：

關於底盤控制可配參數都放在miiboo_bringup/launch/minimal.launch中，如圖2。

參數com_port是底盤控制的串口號，因爲前面已經作了綁定，因此直接填入綁定好的名稱/dev/miiboo就好了；

參數speed_ratio是里程計走直線標定值，這個值經過標定獲得。

參數wheel_distance是里程計轉角標定值，這個值經過標定獲得。

其他參數通常不須要修改，若有須要能夠結合閱讀源碼來了解參數含有和作相應修改。

（圖2）底盤控制可配參數

驅動miiboo底盤：

其實很簡單，一條命令啓動miiboo底盤控制。

roslaunch miiboo_bringup minimal.launch

底盤PID整定：

咱們的miiboo機器人底盤的stm32控制板中已經內置了整定好的PID參數，若是選用咱們提供的控制板和電機，通常狀況下是不須要整定PID的。

對於想體驗一下PID參數整定過程或將咱們的miiboo機器人底盤的stm32控制板應用到其餘地方的朋友，這裏給出了整定PID的整個操做過程和思路，方便你們學習和更深層次的研究。這裏主要講解PID整定的操做，關於原理性的東西能夠參考前面相關內容進行了解。

因爲底盤PID整定是非必須的功能，因此沒有對底盤PID整定的串口（DEBUG-uart1）作綁定，須要先手動插入該串口到樹莓派3，而後手動查看該串口的設備號，並修改該設備號的可讀寫權限。而後將該設備號填入miiboo_bringup/launch/pid_set.launch中的com_port參數中。而後，須要啓動底盤控制節點、底盤調試節點、鍵盤控制節點。鍵盤控制節點teleop_twist_keyboard須要經過apt-get命令來安裝，rqt_plot是ROS提供的繪圖工具。

#打開終端，啓動底盤控制節點 roslaunch miiboo_bringup minimal.launch #再打開一個終端，啓動底盤調試節點，按提示輸入命令 roslaunch miiboo_bringup pid_set.launch #安裝鍵盤控制工具 sudo apt-get install ros-kinetic-teleop-twist-keyboard #再打開一個終端，啓動鍵盤控制節點, source ~/.bashrc rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py #再打開一個終端，用rqt_plot對底盤速度曲線進行繪製，指定曲線數據來源的topic rosrun rqt_plot rqt_plot

ROS提供的繪圖工具rqt_plot用法很簡單，在rqt_plot界面中，在Topic欄輸入曲線數據來源，咱們這裏爲左、右輪速度，而後點擊旁邊的「+」將曲線加入繪製界面，人如圖3。

（圖3）用rqt_plot顯示速度曲線

而後，經過在啓動teleop_twist_keyboard節點的終端經過I/</J/L四個按鍵來控制底盤前進/後退/左轉/右轉控制，並觀察速度曲線的變化，根據PID整定規則對PID參數進行整定，在啓動 pid_set.launch的終端下按相應提示輸入PID參數實現對整定參數的編輯。直到獲得一個比較好的速度曲線，就能夠結束整定過程了。實時速度曲線顯示，如圖4。

（圖4）實時速度曲線顯示

里程計標定：

機器人底盤運行的精度是衡量底盤的重要指標。底盤精度受里程計的走直線偏差和轉角偏差影響。所以，須要對里程計的走直線和轉角進行標定，儘可能減少偏差。miiboo機器人底盤的ROS驅動中已經寫好了相應的標定程序，跟里程計標定有關的文件主要有：

.../miiboo_bringup/launch/check_linear.launch爲里程計走直線標定啓動文件

.../miiboo_bringup/launch/check_angular.launch爲里程計轉角標定啓動文件

.../miiboo_bringup/launch/minimal.launch爲設置標定參數及底盤控制啓動文件

下面是標定步驟過程。

因爲標定過程在前面已經講解過了，請直接前往相應內容參考。

miiboo底盤urdf模型：

urdf模型描述了機器人底盤的形狀、傳感器之間的安裝關係、各個傳感器在tf tree中的關係。其實，miiboo底盤urdf模型的主要做用是提供各個傳感器在tf tree中的關係，這些關係將在SLAM和導航算法中被使用。

（圖5）miiboo機器人底盤中各個傳感器tf關係

圖5是miiboo機器人底盤中各個傳感器tf關係，base_footprint是底盤的運動中心，base_laser_link是激光雷達的中心，imu_link爲IMU模塊的中心。以base_footprint爲原點，創建機器人底盤的座標系，座標系爲標準右手系，即底盤正前方爲x軸、正左方爲y軸、正上方爲z軸、以x軸起始逆時針方向爲theta軸。以base_footprint爲父座標系，創建base_footprint->base_laser_link關係，創建base_footprint->imu_link關係，就實現了各個傳感器tf關係的構建，構建的具體實如今miiboo_description/urdf/miiboo.urdf中完成。如圖6，爲miiboo.urdf的具體內容。

（圖6）miiboo底盤urdf模型描述文件

要使用這個urdf模型就很簡單了，直接一句命令啓動。

roslaunch miiboo_description miiboo_description.launch

1.2.使用激光雷達

在機器人上只須要使用ydlidar這個驅動包就能夠驅動ydlidar-x4雷達了。將ydlidar這個驅動包拷貝到~/catkin_ws/src/中，編譯後就可使用了。ydlidar驅動包文件結構，如圖7。ydlidar驅動包中的其餘文件咱們不須要關心，這些都是由雷達廠商提供的標準驅動，只須要設置咱們本身創建的ydlidar/launch/my_x4.launch文件，這個用於啓動雷達。

（圖7）ydlidar驅動包文件結構

激光雷達數據可配參數：

關於激光雷達數據可配參數都放在ydlidar/launch/my_x4.launch中，如圖8。

參數port是激光雷達的串口號，因爲前面已經作了綁定，因此直接填入綁定好的名稱/dev/lidar就好了；

參數range_min和range_max是設置激光雷達數據的有效值區間。

其他參數通常不須要修改，若有須要能夠結合閱讀源碼來了解參數含有和作相應修改。

（圖8）激光雷達數據可配參數

驅動ydlidar-x4激光雷達：

其實很簡單，一條命令啓動ydlidar-x4激光雷達。

roslaunch ydlidar my_x4.launch

激光雷達數據格式：

激光雷達採用右手座標系，雷達正前方爲x軸、正左方爲y軸、正上方爲z軸、以x軸起始逆時針方向爲theta軸。激光雷達的掃描數據以極座標的形式表示，雷達正前方是極座標0度方向、雷達正左方是極座標90度方向，紅色點爲掃描到的數據點，如圖9所示。

（圖9）激光雷達數據格式

激光雷達的數據在ROS中是以sensor_msgs/LaserScan消息類型進行表示，如圖10，angle_increment表示激光數據點的極座標遞增角度，ranges數組存放實際的極座標點距離值。

（圖10）激光雷達數據sensor_msgs/LaserScan消息類型

1.3.使用IMU

在機器人上只須要使用miiboo_imu這個驅動包就能夠驅動mpu9250模塊了。將miiboo_imu這個驅動包拷貝到~/catkin_ws/src/中，編譯後就可使用了。miiboo_imu驅動包文件結構，如圖11。ydlidar驅動包中的其餘文件咱們不須要關心，只須要設置ydlidar/launch/my_x4.launch文件，這個用於啓動IMU。

（圖11）miiboo_imu驅動包文件結構

IMU數據可配參數：

關於IMU數據可配參數都放在miiboo_imu/launch/imu.launch中，如圖12。

參數come_port是IMU的串口號，因爲前面已經作了綁定，因此直接填入綁定好的名稱/dev/imu就好了；

其他參數通常不須要修改，若有須要能夠結合閱讀源碼來了解參數含有和作相應修改。

（圖12）IMU數據可配參數

驅動IMU模塊：

其實很簡單，一條命令啓動IMU模塊。

roslaunch miiboo_imu imu.launch

IMU數據格式：

IMU模塊採用右手座標系，IMU模塊正前方爲x軸、正左方爲y軸、正上方爲z軸。IMU模塊提供3軸加速度、3軸角速度、3軸磁力計、經數據融合後用歐拉角表示的姿態。

IMU數據在ROS中是以sensor_msgs/Imu消息類型進行表示，如圖13。

（圖13）IMU數據sensor_msgs/Imu消息類型

1.4.使用攝像頭

miiboo機器人上使用的是USB攝像頭，用ROS驅動USB攝像頭能夠採用如下3中方法。

方法1：

使用usb_cam這個ROS包直接驅動

方法2：

使用gscam這個ROS包直接驅動

方法3：

自制OpenCV，cv_bridge，image_transport驅動ROS包

爲了方便起見，我採用的是方法1，直接安裝usb_cam這個ROS包直接驅動。

usb_cam攝像頭驅動安裝：

將usb_cam下載到~/catkin_ws/src/中，直接編譯就好了。

cd  ~/catkin_ws/src/ git clone https://github.com/ros-drivers/usb_cam.git
 rosdep install usb_cam cd ~/catkin_ws/ catkin_make

攝像頭數據可配參數：

關於攝像頭數據可配參數都放在usb_cam/launch/usb_cam.launch中，如圖14。

參數video_device是攝像頭的設備號，因爲直插了一個USB攝像頭，因此直接填入名稱/dev/video0就好了；

其他參數通常不須要修改，若有須要能夠結合閱讀源碼來了解參數含有和作相應修改。

（圖14）攝像頭數據可配參數

驅動USB攝像頭：

其實很簡單，一條命令啓動USB攝像頭。

roslaunch usb_cam usb_cam.launch

攝像頭遠程顯示：

攝像頭數據遠程顯示的方法有兩種，方法一是在PC端rviz中訂閱攝像頭髮布的圖像topic，方法二是用Android手機上miiboo機器人APP直接顯示。

先說方法一，在PC端打開rviz，在rviz中添加須要顯示的Topic，這樣就能夠看到圖像了。如圖15和16。

（圖15）在rviz中添加須要顯示的圖像Topic

（圖16）在rviz中顯示圖像Topic

方法二，就很簡單了，只要Android手機上miiboo機器人APP鏈接到機器人端成功後，就能自動顯示圖像了。如圖17。

（圖17）在Android手機的miiboo機器人APP中顯示圖像Topic

1.5.局域網內廣播機器人本身的IP

這個很簡單，由broadcast_ip這個功能包實現，我已經寫好放入~/catkin_ws/src/並編譯了。只須要一句命令啓動就好了。

roslaunch broadcast_ip broadcast_udp.launch

後記

------SLAM+語音機器人DIY系列【目錄】快速導覽------

第1章：Linux基礎

第2章：ROS入門

3.在ubuntu16.04中安裝ROS kinetic

4.如何編寫ROS的第一個程序hello_world

5.編寫簡單的消息發佈器和訂閱器

6.編寫簡單的service和client

7.理解tf的原理

8.理解roslaunch在大型項目中的做用

9.熟練使用rviz

10.在實際機器人上運行ROS高級功能預覽

第3章：感知與大腦

第4章：差分底盤設計

第5章：樹莓派3開發環境搭建

1.安裝系統ubuntu_mate_16.04

2.安裝ros-kinetic

3.裝機後一些實用軟件安裝和系統設置

4.PC端與robot端ROS網絡通訊

5.Android手機端與robot端ROS網絡通訊

6.樹莓派USB與tty串口號綁定

7.開機自啓動ROS節點

第6章：SLAM建圖與自主避障導航

1.在機器人上使用傳感器

2.google-cartographer機器人SLAM建圖

3.ros-navigation機器人自主避障導航

第7章：語音交互與天然語言處理

第8章：高階拓展

2.centos7下部署Django(nginx+uwsgi+django+python3)

----------------文章將持續更新，敬請關注-----------------

若是你們對博文的相關類容感興趣，或有什麼技術疑問，歡迎加入下面的《SLAM+語音機器人DIY》QQ技術交流羣，一塊兒討論學習^_^

關於咱們：

視頻教程：

https://www.bilibili.com/video/av61448040

原文出處：https://www.cnblogs.com/hiram-zhang/p/10412509.html

相關標籤/搜索

每日一句

每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。