SLAM+语音机器人DIY系列：（六）SLAM建图与自主避障导航——1.在机器人上使用传感器

时间 2020-04-22

标签 slam 语音机器人 diy 系列自主导航使用传感器繁體版

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摘要

经过前面的基础学习，本章进入最为激动的机器人自主导航的学习。在前面的学习铺垫后，终于迎来了最大乐趣的时刻，就是赋予咱们的miiboo机器人能自由行走的生命。本章将围绕机器人SLAM建图、导航避障、巡航、监控等内容展开。本章内容：html

1.在机器人上使用传感器python

2.google-cartographer机器人SLAM建图nginx

3.ros-navigation机器人自主避障导航git

4.多目标点导航及任务调度github

5.机器人巡航与现场监控算法

1.在机器人上使用传感器

SLAM建图须要用到底盘、激光雷达和IMU，因此这里详细介绍如何在机器人上使用这些传感器。要使用这些传感器也很简单，就是在机器人上开启相应传感器的ROS驱动节点，在设置合适的可配参数就好了。django

须要注意的是，底盘、激光雷达、IMU这三个传感器都使用串口与树莓派通讯，为了防止每次开机这三个设备的串口号发生变更，须要将串口号进行绑定与重映射，操做方法在前面已经介绍过了，若是尚未绑定直接前往前面相关内容参考。ubuntu

这里将创建一个叫catkin_ws的ROS工做空间，专门用于存放机器人传感器相关的ROS驱动功能包。关于建立ROS工做空间的操做，请参考前面相应部份内容，这里就不作讲解。centos

1.1.使用底盘

在机器人上只须要使用miiboo这个驱动包就能够驱动底盘了。将miiboo这个驱动包拷贝到~/catkin_ws/src/中，编译后就可使用了。miiboo驱动包文件结构，如图1。miiboo驱动包中含有两个ROS功能包miiboo_bringup和miiboo_description，驱动miiboo底盘、底盘PID整定、里程计标定这些功能包含在miiboo_bringup中，miiboo底盘urdf模型包含在miiboo_description中。数组

（图1）miiboo驱动包文件结构

底盘控制可配参数：

关于底盘控制可配参数都放在miiboo_bringup/launch/minimal.launch中，如图2。

参数com_port是底盘控制的串口号，因为前面已经作了绑定，因此直接填入绑定好的名称/dev/miiboo就好了；

参数speed_ratio是里程计走直线标定值，这个值经过标定获得。

参数wheel_distance是里程计转角标定值，这个值经过标定获得。

其他参数通常不须要修改，若有须要能够结合阅读源码来了解参数含有和作相应修改。

（图2）底盘控制可配参数

驱动miiboo底盘：

其实很简单，一条命令启动miiboo底盘控制。

roslaunch miiboo_bringup minimal.launch

底盘PID整定：

咱们的miiboo机器人底盘的stm32控制板中已经内置了整定好的PID参数，若是选用咱们提供的控制板和电机，通常状况下是不须要整定PID的。

对于想体验一下PID参数整定过程或将咱们的miiboo机器人底盘的stm32控制板应用到其余地方的朋友，这里给出了整定PID的整个操做过程和思路，方便你们学习和更深层次的研究。这里主要讲解PID整定的操做，关于原理性的东西能够参考前面相关内容进行了解。

因为底盘PID整定是非必须的功能，因此没有对底盘PID整定的串口（DEBUG-uart1）作绑定，须要先手动插入该串口到树莓派3，而后手动查看该串口的设备号，并修改该设备号的可读写权限。而后将该设备号填入miiboo_bringup/launch/pid_set.launch中的com_port参数中。而后，须要启动底盘控制节点、底盘调试节点、键盘控制节点。键盘控制节点teleop_twist_keyboard须要经过apt-get命令来安装，rqt_plot是ROS提供的绘图工具。

#打开终端，启动底盘控制节点 roslaunch miiboo_bringup minimal.launch #再打开一个终端，启动底盘调试节点，按提示输入命令 roslaunch miiboo_bringup pid_set.launch #安装键盘控制工具 sudo apt-get install ros-kinetic-teleop-twist-keyboard #再打开一个终端，启动键盘控制节点, source ~/.bashrc rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py #再打开一个终端，用rqt_plot对底盘速度曲线进行绘制，指定曲线数据来源的topic rosrun rqt_plot rqt_plot

ROS提供的绘图工具rqt_plot用法很简单，在rqt_plot界面中，在Topic栏输入曲线数据来源，咱们这里为左、右轮速度，而后点击旁边的“+”将曲线加入绘制界面，人如图3。

（图3）用rqt_plot显示速度曲线

而后，经过在启动teleop_twist_keyboard节点的终端经过I/</J/L四个按键来控制底盘前进/后退/左转/右转控制，并观察速度曲线的变化，根据PID整定规则对PID参数进行整定，在启动 pid_set.launch的终端下按相应提示输入PID参数实现对整定参数的编辑。直到获得一个比较好的速度曲线，就能够结束整定过程了。实时速度曲线显示，如图4。

（图4）实时速度曲线显示

里程计标定：

机器人底盘运行的精度是衡量底盘的重要指标。底盘精度受里程计的走直线偏差和转角偏差影响。所以，须要对里程计的走直线和转角进行标定，尽可能减少偏差。miiboo机器人底盘的ROS驱动中已经写好了相应的标定程序，跟里程计标定有关的文件主要有：

.../miiboo_bringup/launch/check_linear.launch为里程计走直线标定启动文件

.../miiboo_bringup/launch/check_angular.launch为里程计转角标定启动文件

.../miiboo_bringup/launch/minimal.launch为设置标定参数及底盘控制启动文件

下面是标定步骤过程。

因为标定过程在前面已经讲解过了，请直接前往相应内容参考。

miiboo底盘urdf模型：

urdf模型描述了机器人底盘的形状、传感器之间的安装关系、各个传感器在tf tree中的关系。其实，miiboo底盘urdf模型的主要做用是提供各个传感器在tf tree中的关系，这些关系将在SLAM和导航算法中被使用。

（图5）miiboo机器人底盘中各个传感器tf关系

图5是miiboo机器人底盘中各个传感器tf关系，base_footprint是底盘的运动中心，base_laser_link是激光雷达的中心，imu_link为IMU模块的中心。以base_footprint为原点，创建机器人底盘的坐标系，坐标系为标准右手系，即底盘正前方为x轴、正左方为y轴、正上方为z轴、以x轴起始逆时针方向为theta轴。以base_footprint为父坐标系，创建base_footprint->base_laser_link关系，创建base_footprint->imu_link关系，就实现了各个传感器tf关系的构建，构建的具体实如今miiboo_description/urdf/miiboo.urdf中完成。如图6，为miiboo.urdf的具体内容。

（图6）miiboo底盘urdf模型描述文件

要使用这个urdf模型就很简单了，直接一句命令启动。

roslaunch miiboo_description miiboo_description.launch

1.2.使用激光雷达

在机器人上只须要使用ydlidar这个驱动包就能够驱动ydlidar-x4雷达了。将ydlidar这个驱动包拷贝到~/catkin_ws/src/中，编译后就可使用了。ydlidar驱动包文件结构，如图7。ydlidar驱动包中的其余文件咱们不须要关心，这些都是由雷达厂商提供的标准驱动，只须要设置咱们本身创建的ydlidar/launch/my_x4.launch文件，这个用于启动雷达。

（图7）ydlidar驱动包文件结构

激光雷达数据可配参数：

关于激光雷达数据可配参数都放在ydlidar/launch/my_x4.launch中，如图8。

参数port是激光雷达的串口号，因为前面已经作了绑定，因此直接填入绑定好的名称/dev/lidar就好了；

参数range_min和range_max是设置激光雷达数据的有效值区间。

其他参数通常不须要修改，若有须要能够结合阅读源码来了解参数含有和作相应修改。

（图8）激光雷达数据可配参数

驱动ydlidar-x4激光雷达：

其实很简单，一条命令启动ydlidar-x4激光雷达。

roslaunch ydlidar my_x4.launch

激光雷达数据格式：

激光雷达采用右手坐标系，雷达正前方为x轴、正左方为y轴、正上方为z轴、以x轴起始逆时针方向为theta轴。激光雷达的扫描数据以极坐标的形式表示，雷达正前方是极坐标0度方向、雷达正左方是极坐标90度方向，红色点为扫描到的数据点，如图9所示。

（图9）激光雷达数据格式

激光雷达的数据在ROS中是以sensor_msgs/LaserScan消息类型进行表示，如图10，angle_increment表示激光数据点的极坐标递增角度，ranges数组存放实际的极坐标点距离值。

（图10）激光雷达数据sensor_msgs/LaserScan消息类型

1.3.使用IMU

在机器人上只须要使用miiboo_imu这个驱动包就能够驱动mpu9250模块了。将miiboo_imu这个驱动包拷贝到~/catkin_ws/src/中，编译后就可使用了。miiboo_imu驱动包文件结构，如图11。ydlidar驱动包中的其余文件咱们不须要关心，只须要设置ydlidar/launch/my_x4.launch文件，这个用于启动IMU。

（图11）miiboo_imu驱动包文件结构

IMU数据可配参数：

关于IMU数据可配参数都放在miiboo_imu/launch/imu.launch中，如图12。

参数come_port是IMU的串口号，因为前面已经作了绑定，因此直接填入绑定好的名称/dev/imu就好了；

其他参数通常不须要修改，若有须要能够结合阅读源码来了解参数含有和作相应修改。

（图12）IMU数据可配参数

驱动IMU模块：

其实很简单，一条命令启动IMU模块。

roslaunch miiboo_imu imu.launch

IMU数据格式：

IMU模块采用右手坐标系，IMU模块正前方为x轴、正左方为y轴、正上方为z轴。IMU模块提供3轴加速度、3轴角速度、3轴磁力计、经数据融合后用欧拉角表示的姿态。

IMU数据在ROS中是以sensor_msgs/Imu消息类型进行表示，如图13。

（图13）IMU数据sensor_msgs/Imu消息类型

1.4.使用摄像头

miiboo机器人上使用的是USB摄像头，用ROS驱动USB摄像头能够采用如下3中方法。

方法1：

使用usb_cam这个ROS包直接驱动

方法2：

使用gscam这个ROS包直接驱动

方法3：

自制OpenCV，cv_bridge，image_transport驱动ROS包

为了方便起见，我采用的是方法1，直接安装usb_cam这个ROS包直接驱动。

usb_cam摄像头驱动安装：

将usb_cam下载到~/catkin_ws/src/中，直接编译就好了。

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

摄像头数据可配参数：

关于摄像头数据可配参数都放在usb_cam/launch/usb_cam.launch中，如图14。

参数video_device是摄像头的设备号，因为直插了一个USB摄像头，因此直接填入名称/dev/video0就好了；

其他参数通常不须要修改，若有须要能够结合阅读源码来了解参数含有和作相应修改。

（图14）摄像头数据可配参数

驱动USB摄像头：

其实很简单，一条命令启动USB摄像头。

roslaunch usb_cam usb_cam.launch

摄像头远程显示：

摄像头数据远程显示的方法有两种，方法一是在PC端rviz中订阅摄像头发布的图像topic，方法二是用Android手机上miiboo机器人APP直接显示。

先说方法一，在PC端打开rviz，在rviz中添加须要显示的Topic，这样就能够看到图像了。如图15和16。

（图15）在rviz中添加须要显示的图像Topic

（图16）在rviz中显示图像Topic

方法二，就很简单了，只要Android手机上miiboo机器人APP链接到机器人端成功后，就能自动显示图像了。如图17。

（图17）在Android手机的miiboo机器人APP中显示图像Topic

1.5.局域网内广播机器人本身的IP

这个很简单，由broadcast_ip这个功能包实现，我已经写好放入~/catkin_ws/src/并编译了。只须要一句命令启动就好了。

roslaunch broadcast_ip broadcast_udp.launch

后记

------SLAM+语音机器人DIY系列【目录】快速导览------

第1章：Linux基础

第2章：ROS入门

3.在ubuntu16.04中安装ROS kinetic

4.如何编写ROS的第一个程序hello_world

5.编写简单的消息发布器和订阅器

6.编写简单的service和client

7.理解tf的原理

8.理解roslaunch在大型项目中的做用

9.熟练使用rviz

10.在实际机器人上运行ROS高级功能预览

第3章：感知与大脑

第4章：差分底盘设计

第5章：树莓派3开发环境搭建

1.安装系统ubuntu_mate_16.04

2.安装ros-kinetic

3.装机后一些实用软件安装和系统设置

4.PC端与robot端ROS网络通讯

5.Android手机端与robot端ROS网络通讯

6.树莓派USB与tty串口号绑定

7.开机自启动ROS节点

第6章：SLAM建图与自主避障导航

1.在机器人上使用传感器

2.google-cartographer机器人SLAM建图

3.ros-navigation机器人自主避障导航

第7章：语音交互与天然语言处理

第8章：高阶拓展

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

----------------文章将持续更新，敬请关注-----------------

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