ROS 总结（四）：Moveit！系统概述
Moveit!是目前针对机械臂移动操作的最先进的软件。它综合了运动规划、控制、3D感知、运控学、控制和导航的最新成果，提供了开发先进机器人应用的易用平台，为工业、商业和研发等领域的机器人新产品的设计和集成体用评估。
目前，Moveit！广泛应用了开源的软件，目前已经应用在了超过65个机器人平台上。
一、系统架构
上图显示的是 Moveit！提供的主要节点 move_group 的高层结构，它像一个组合器：把所有单独的组件集成在一起，提供一系列的 actions 和 services 供用户使用。
1、用户接口：
C++： move_group_interface package
Python： moveit_commander package
GUI： Motion Planning plugin to Rviz
2、配置
move_group 是一个 ROS 节点，它通过参数服务器获得三种信息：
URDF
SRDF
MoveIt!配置文件
3、机器人接口
move_group通过ROS topics和actions与机器人通讯，获取机器人的状态（位置，节点等），获取点云或其他传感器数据再传递给机器人的控制器。
关节状态信息
监听 /joint_states 主题确定状态信息
变换信息
通过ROS TF库来监视变换信息
控制器接口
通过ROS的action接口，FollowJointTrajectoryAction接口来使用控制器。
场景规划
move_group使用规划场景监视器来维护规划场景。
可扩展能力
可以很容易进行扩展：可以把运动学、抓取、运动控制等独立的包作为插件供 moveit！使用。
二、运动规划
1、 The Motion Planning Plugin
Moveit!通过插件进行运动规划，使其容易和不同的运动规划库链接，方便扩展。
接口由 ROS Action 或者 Service 提供
默认的规划器是 OMPL，其接口通过 MoveIt! Setup Assistant 配置
2、The Motion Plan Request
描述需要运动规划做什么任务。
请求规划器移动机械臂到新的位置，或者移动末端执行器到新的位姿。
默认进行碰撞检测（包括自身干涉）
可以加对象到末端执行器
可以添加运动学约束：
Position constraints - 连杆的运动空间
Orientation constraints - 连杆的RPY角
Visibility constraints - 连杆的某一点在某传感器的可视化锥形区域内
Joint constraints - 关节范围
User-specified constraints - 自定义约束回调函数
3、The Motion Plan Result
move_group 节点会根据运动规划请求产生需要的轨迹。
move_group 节点会根据速度加速度的极值来产生符合速度加速度约束的轨迹
4、Pipeline
Motion planners and Plan Request Adapters
完整的运动规划管道链把 运动规划器 和 planning request adapters 集成在了一起
规划请求适配器允许预处理运动规划请求，后处理运动规划相应
预处理对以下情况有效：例如机器人的开始状态超出了其关节约束范围
后处理对一下情况是必须的：把规划路径转换为轨迹
Moveit！提供了一组默认的运动规划器适配器，每一个都执行特定的功能：
FixStartStateBounds
此适配器修复开始状态超出关节范围的状态。
FixWorkspaceBounds
此适配器指定默认的规划轨迹的工作空间
FixStartStateCollision
此适配器通过轻微扰动关节的值，对特定配置下的无碰撞配置进行采样
FixStartStatePathConstraints
当初始状态不符合特定的路径约束时使用
AddTimeParameterization
根据速度和加速度约束，把路径规划成轨迹。
三、OMPL
OMPL (Open Motion Planning Library) 是一个开源的运动规划库，主要是执行随机规划器。MoveIt使用其库里的运动规划器作为主要/默认的一套规划器。
1、规划场景
场景规划用来表现机器人所在的世界并储存机器人的状态信息。它由planning scene monitor 来保持。planning scene monitor 主要收听的信息有：
状态信息：joint_states 主题发布
传感器信息：利用世界几何信息
世界几何信息：planning_scene 主题发布
2、World Geometry Monitor
世界几何监视器，用传感器的信息和使用者的输入信息来建立世界的几何描述。使用 occupancy map monitor 描述机器人周围的3D环境。
3、3D Perception
3D感知使用 occupancy map monitor。它使用插件来管理不同的传感器输入，包括：
点云：point cloud occupancy map updater 插件使用
深度图像：depth image occupancy map updater 插件使用
4、Octomap
Occupancy map monitor使用Octomap维持Occupancy map的环境
5、Depth Image Occupancy Map Updater
包含其自身过滤器。用来更新 depth map。
四、运动学
运动学采用运动学插件（The Kinematics Plugin），也可以自己编写自己的运动学个逆运动学算法。Forward kinematics（正向运动学） and finding jacobians（查找雅可比矩阵） 被整合到自己的RobotState类。默认逆运动学插件配置使用KDL numerical jacobian-based solver.由MoveIt! Setup Assistant自动配置。
# kinematics.yaml
manipulator:
kinematics_ solver: kdl_ kinematics_plugin/KDLKinematicsPlugin
kinematics_ solver_search_resolution: 0.005
kinematics_ solver_timeout: 0.005
kinematics_ solver_attempts: 3使用插件，可以很方便地求出运动学、逆运动学、雅可比矩阵。使用的函数是：
getGlobalLinkTransform
setFromIK
getJacobianIKFast Plugin（IKFast插件）
用来生成自己的运动学求解器插件
Collision Checking（冲突检测）
在场景规划中，检查是否冲突
Collision Objects（冲突对象）
定义检查是否冲突的组件的形状
Allowed Collision Matrix (ACM)（免检冲突矩阵）
定义不需要检测冲突的组件矩阵，节省时间和资源。
五、轨迹处理
时间参数化
运动规划器只是产生路径，而不是包含时间参数的轨迹。它对路径和速度加速度等（joint_limits.yaml）来产生轨迹。
参考：
http://moveit.ros.org/
http://docs.ros.org/indigo/api/moveit_tutorials/html/
http://moveit.ros.org/robots/
http://www.ncnynl.com/archives/201610/1028.html
R. Patrick Goebel，ROS By Example（Volume 2），chapter 11：July 2014