树莓派4B ROS SLAM 超全总结

摘要

随着树莓派的普及以及4B版本推出，我们小组也决定由我负责树莓派相关部分，可惜网上的资源大多并不齐全，在操作中浪费了大量的时间。因此本文将详细总结笔者这些天的工作，力争形成全面的系统化的文章。本方法的所有相关资源都将放到附录部分，有需要可以自行下载。没有CSDN会员的可以私聊我，传邮箱也可以。不过可能回复不是很及时。
另外：本文由于内容过多，将采取链接形式，将所有我自己操作可行的文章链接替换长篇大论，但对于链接中不足的地方将详细讲解。本文的重点将放在目前任何博客没有给出解决方案的”软件包安装“上面。
由于本文是在本人尝试编译SLAM后第四天开始动笔的，所以之前可能有错误未能及时记录，有相关问题可以评论区讨论解决方法，欢迎大佬们的补充。

树莓派系统的使用

拿到树莓派时一般都会有对应的说明书，网上也有许多相关安装方法，安装部分不再赘述，后文会附带相关资源，但如果有希望后期用Respi系统来安装ROS，这里就要强调一下：本方法只支持burst版本，bullsyes等我花了许久也没有研究出对应的安装方法，主要区别在于bullsyes没有gcc-5的编译器以及在安装ROS时会产生python版本不匹配，安装对应版本又报错对应python编译器不匹配，但未找到安装方法。如果有那位大佬成功了，欢迎评论区留言。

树莓派GPIO的使用

笔者采用的是C++编程，如果想看python程序可以参考http://huishao.cc/ 的文章，他在这方面写的很详细。（由于一开始是安装bullsyes，还未测试burst系统是否足够兼容，应该是没有问题的）
更加全面的函数讲解可以参考http://wiringpi.com/ 里面有所有函数的使用方法。
对于芯片L293D，可以参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/340063310

1. 头文件 ，基本包含这几个头文件即可完成绝大多数的功能
   #include
   #include
   #include
   #include
2. 代码逻辑，首先要开始的是wiringPiSetup()，先于所有函数，然后就是根据需要的引脚类型去设置，GPIO引脚用pinMode初始化，其他的软件引脚调用对应的create函数，I2C调用setup函数，特别注意：setup函数会返回文件句柄，在后面的操作中必须要使用这个文件句柄来操作。接着就是需要的话设置对应中断，在while循环中检测中断处理的情况，main函数中去读写GPIO，I2C等引脚信息。
3. 函数使用，详细函数解释可以查看参考文献，或者发评论区询问细节。

• wiringPiISR，接收引脚号，中断类型，中断处理函数。参考后面代码方式使用。需要注意可以加上一个延时防止抖动，或者并联一个电容也可以的。
• digitalWrite、digitalRead。就是读、写对应引脚的高低电平。
• wiringPiI2CWrite、wiringPiI2CRead。分别是写命令或者读数据，参考http://huishao.cc/2021/07/24/420%E4%B8%80%E8%B5%B7%E7%8E%A9%E8%BD%AC%E6%A0%91%E8%8E%93%E6%B4%BE%EF%BC%887%EF%BC%89%E2%80%94%E2%80%94%E6%A0%91%E8%8E%93%E6%B4%BE%E6%A8%A1%E6%95%B0:%E6%95%B0%E6%A8%A1%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%AE%9E%E8%B7%B5/ 里面详细描述了命令的格式，我一开始是没有区分好AIN0-3和A0-2的关系，A0-2是控制地址，即从设备的地址是多少，AIN0-3是输入的模拟电压，是数据。
• softPwmWrite，写一个电压在区间的值0%-100%，原理就是在一定时间内高电压，积分后就是一个平均值了。
• pwmWrite，同上，不过是硬件实现，只有GPIO1可以
• softToneWrite，写一个频率值，用于音乐。

5. 注意事项，init函数中一定要检查返回值是否正常，不正常要立刻退出，否则会出问题。连线的时候一定要注意，C++对应的只有wiringPi编码格式，一般杜邦板上的编码是BCM编码，注意转换。
6. 目前就想到这几种常见的错误，有任何问题都可以评论区私聊，我觉得我的经验应该足够。附上一个代码和对应的简化后的接线图。各位可以根据需要调整。附录附带演示视频。

using namespace std;
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define HW_011 0x48
#define HC_SR04_Echo 2
#define HC_SR04_Trig 3
#define SWITCH 0
#define L293D_EN 21
#define L293D_IN1 22
#define L293D_IN2 23
#define GongFang 24
#define FengMing 1
#define JQC3FFSZ 4
#define LED_R 29
#define LED_B 27
#define LED_G 28

int fd;
volatile int start;
unsigned int time0;
unsigned int time1;
// C璋冧綆闊?
int CL[] = {0, 131, 147, 165, 175, 196, 211, 248};
// C璋冧腑闊?
int CM[] = {0, 262, 294, 330, 350, 393, 441, 495};   
// C璋冮珮闊?
int CH[] = {0, 525, 589, 661, 700, 786, 882, 990};
int pu[] = {CM[3],CM[3],CM[2],CM[3],CM[3],CM[5],CM[3],CM[2],CM[3],\
            CM[1],CM[1],CM[2],CM[3],CM[5],CM[3],CM[2],CM[2],CM[1],CM[2],\
            CM[3],CM[5],CM[3],CM[6],CM[5],CM[6],CM[5],CM[5],CM[3],CM[5],\
	    CM[5],CM[3],CM[2],CM[3],CM[5],CM[3],CM[2],CM[2],CM[2],CM[1],CM[2],\
	    CM[3],CM[3],CM[2],CM[3],CM[3],CM[5],CM[3],CM[2],CM[3],\
            CM[1],CM[1],CM[2],CM[3],CM[5],CM[3],CM[2],CM[2],CM[1],CM[2],\
            CM[3],CM[5],CM[3],CM[6],CM[5],CM[6],CM[5],CM[5],CM[3],CM[5],\
	    CM[5],CM[3],CM[2],CM[3],CM[5],CM[3],CM[2],CM[2],CM[2],CM[1],CM[1]};
int len[] = {4,2,2,8,2,2,2,2,8,4,2,2,2,2,4,4,2,2,8,6,1,1,2,6,2,2,2,2,7,1,4,2,2,4,2,2,4,2,2,8,\
             4,2,2,8,2,2,2,2,8,4,2,2,2,2,4,4,2,2,8,6,1,1,2,6,2,2,2,2,7,1,4,2,2,4,2,2,4,2,2,8};
             
void init ()
{
	if (0 > wiringPiSetup())
	{
		cout<<"Setup Error\r\n";
		exit(-1);
	}
	fd = wiringPiI2CSetup(HW_011);
	if (fd == -1)
	{
		cout<<"I2C Setup Error\r\n";
		exit(-1);
	}
	if (softPwmCreate(L293D_EN,0,100) != 0)
	{
		cout<<"softPwm Setup Error\r\n";
		exit(-1);
	}
	if (softToneCreate(GongFang) != 0) 
	{
		cout<<"softTone Setup Error\r\n";
		exit(-1);
	}
	pinMode(SWITCH,INPUT);
	pinMode(HC_SR04_Trig,OUTPUT);
	pinMode(HC_SR04_Echo,INPUT);
	pinMode(L293D_IN1,OUTPUT);
	pinMode(L293D_IN2,OUTPUT);
	pinMode(FengMing,PWM_OUTPUT);
	pinMode(JQC3FFSZ,OUTPUT);
	pinMode(LED_R,OUTPUT);
	pinMode(LED_G,OUTPUT);
	pinMode(LED_B,OUTPUT);
}
void begin()
{
	start ++;
	cout<<"Switch has been touched\r\n";
	delay(1000);
}
void time()
{
	if (digitalRead(HC_SR04_Echo) == 1)
	{
		time0 = micros();
	}
	if (digitalRead(HC_SR04_Echo) == 0)
	{
		time1 = micros();
	}
}
int main(void)
{
	init();
	cout<<"init success, push switch to start\r\n";
	cout<<"It use interrupt to get information\r\n";
	wiringPiISR(SWITCH, INT_EDGE_RISING, begin);
	wiringPiISR(HC_SR04_Echo, INT_EDGE_BOTH, time);
	while (1) 
	{
		if (start == 0)
		{
			continue;
		}
		cout<<"First, let\'s open our LED by different color.\r\n";
		cout<<"It use digitalWrite to control LED\r\n";
		for (int i = 0; i <= 7; i ++)
		{
			digitalWrite(LED_R, (i & 1) ? HIGH : LOW);
			digitalWrite(LED_G, (i & 2) ? HIGH : LOW);
			digitalWrite(LED_B, (i & 4) ? HIGH : LOW);
			delay(500);
		}
		cout<<"Then, let\'s get the infomation from HW-011\r\n";
		cout<<"It use I2C wire to read or write data\r\n";
		wiringPiI2CWrite(fd, 0x04);   //in this way, it will check every interface one by one
		wiringPiI2CRead(fd);          //release the register
		delay(500);
		int i = 0;
		while (start < 2)
		{
			int value = wiringPiI2CRead(fd);
			switch (i & 3)
			{
				case 0: cout<<"0: "<<value<<"\t";
						break;
				case 1: cout<<"1: "<<value<<"\t";
						break;
				case 2: cout<<"2: "<<value<<"\t";
						break;
				case 3: cout<<"3: "<<value<<"\r\n";
						break;
			}
			i++;
			delay(500);
		}
		cout<<"After that, let\'s detect the distant from HC-SR04\r\n";
		cout<<"It use interrupt and digitalWrite to control to culculate distance\r\n";
		while (start < 3)
		{
			digitalWrite(HC_SR04_Trig, HIGH);
			delay(1000);
			digitalWrite(HC_SR04_Trig, LOW);
			while (time1 < time0)
				delay(10);
			cout<<"The distance is: "<<(time1 - time0) * 340.0 / 2.0<<"\r\n";
			time0 = time1 = 0;
			delay(500);
		}
		cout<<"Now, let\'s control the motor by different speed\r\n";
		cout<<"It use softPwm to control speed\r\n";
		cout<<"please input the speed percentege, to stop by more than 100 or less than -100\r\n";
		int speed;
		while (cin>>speed)
		{
			if (speed > 100 || speed < -100) {
				softPwmWrite(L293D_EN,0);
				break;
			}
			else if (speed > 0) {
				softPwmWrite(L293D_EN, speed);
				digitalWrite(L293D_IN1, HIGH);
				digitalWrite(L293D_IN2, LOW);
			} else {
				softPwmWrite(L293D_EN, -speed);
				digitalWrite(L293D_IN1, LOW);
				digitalWrite(L293D_IN2, HIGH);
			}
		}
		cout<<"How could we do if we want to use harder Pwm?\r\n";
		cout<<"Let\'s use GPIO 1 to control fengming mechine\r\n";
		for (int i = 0; i <= 1024; i += 64)
		{
			pwmWrite(FengMing, i);
			delay(500);
//			pwmWrite(FengMing, 0);
//			delay(500);
		}
		cout<<"At last, let\'s start our gongfang\r\n";
		cout<<"It use JQC3FFSZ to control it open and use softTone to control it frequency\r\n";
		delay(10000);
		digitalWrite(JQC3FFSZ, HIGH);
		cout<<"start music\r\n";
		for (int i = 0; i < 80; i ++)
		{
			softToneWrite(GongFang,pu[i]);
			delay(125 * len[i]);
			softToneWrite(GongFang, 0);
			delay(10);
		}
		delay(500);
		break;
	}
	cout<<"Goodbye!\r\n";
	return 0;
}

树莓派系统安装ROS-Melodic

首先确保你的系统是burst系列，最好是10版本
参考链接：https://blog.csdn.net/jzhd2015/article/details/108218350

注意事项

上面那个链接已经非常详细的讲述了如何安装ROS-Melodic，对于相关的资源也会在附录中提供。但rosdep init的部分对我已经不再适用了，我的办法是：进入/usr/lib/python2.7/dist-packages/ （这里要稍微注意一下python的版本，有的有可能是python3.7什么的，但操作思路都是一样的。依次输入命令：

cd /usr/lib/python2.7/dist-packages/
find . -type f | xargs grep “raw.githubusercontent”

这时会找出所有包含raw.githubusercontent的文件，将其中所有.py文件中的 https://raw.githubusercontent/.com/ros/rosdistro/master/ 替换成 https:/gitee.com/zhao-xuzuo/rosdistro/raw/master/ 这样就可以成功完成init和后续update的工作了。

这个链接中由于安装comm版本，所以只到roscore就结束了，但无法运行turtle节点测试，而且对于SLAM来说，comm的软件包是完全不够用的，经过本人连续一周的测试，重装系统，甚至拷贝ubuntu中的软件包都没有结果后，终于摸索出了如何安装软件包，将在下一个章节中详细讨论。

基于Raspi系统的ROS如何安装软件包

当出现诸如：

CMake Error at /opt/ros/hydro/share/genmsg/cmake/genmsg-extras.cmake:255 (message): Messages depends on unknown pkg: nav_msgs (Missing find_package(nav_msgs?)) Call Stack (most recent call first): ax2550/CMakeLists.txt:22 (generate_messages)
等错误时，如果简单的上网搜索，只会看到适用sudo apt-get install 。。。的方法，但是这个对于树莓派原生系统来说，已经不再有作用了。因为压根就没有对应的ros-melodic系列的软件包QAQ，直接拷贝是不行的，因为毕竟是.cpp代码，还需要编译的。。。。

解决方案（大多数）

对于大部分软件包（对于SLAM来说就是除了OpenCV、PCL、Ceres以外的软件包，这两个后面会讲），既然apt无法安装，那就可以退而求其次，适用rosinstall来安装嘛，如果有人想更加深入的理解其中的含义，可以搜索rosinstall和wstool的官网，相信更加深层次的官网讲的会比我好，这里我来教如何适用。
比如如果出现了类似下面这样的报错：

那么我们就可以在命令行中输入如下命令：

rosinstall_generator tf --rosdistro melodic --deps --tar > melodic-tf.rosinstall
wstool merge -t src melodic-tf.rosinstall

将第一个tf替换为报错中缺少的包，melodic_tf.rosintall替换为一个自己定义好的，不冲突命名的.rosinstall文件, wtool 命令替换为.rosinstall文件名。再输入：

wstool update -t src

没有报错就说明成功完成软件包的安装，再次编译会发现已经不再报这个文件找不到了。
上面那个说的是通解，但如果是需要编译SLAM的话，用下面这个集成的命令，会让编译更加快一些：

rosinstall_generator tf sensor_msgs nav_msgs image_transport geometry_msgs cv_bridge --rosdistro melodic --deps --tar > melodic_slam.rosinstall
wstool merge -t src melodic_slam.rosinstall
wstool update -t src

还有一个特殊的pcl_conversions，报错是这样的：

但是输入：

rosinstall_generator pcl_conversions --rosdistro melodic --deps --tar > melodic-pcl_conversions.rosinstall
wstool merge -t src melodic-pcl_conversions.rosinstall
wstool update -t src

出现类似界面：

但很奇怪并没有成功。。。大概是这并不是在编译时出现的问题，所以并不能靠这个方法解决吧。。。
网上也没有解决方法，只好把他们放到工作空间src，要用到pcl_conversions包（比如A-Loam-devel），include下面了。。。

解决方案（OpenCV）

没有能截图，但报错格式和上面的那个差不多。
OpenCV的编译时间很长，所以，尽量不要尝试去一个个试错。
而且目前网上没有一个是完全没有错误的。。。

• 版本
  版本问题需要很注意，你的OpenCV到底是缺了那个版本，避免错误。对于4版本，可以参考https://mp.weixin.qq.com/s/w1Pz09t-MrWzygLiO5w6Qw 讲解的很好，有一个错误，后面讲。对于3版本，参考https://blog.csdn.net/simonforfuture/article/details/101716181 思路差不多。
• 错误
  • 使用pip install安装。用此方法安装虽然确实可以在python中使用，但无法在catkin_make中编译成功，很遗憾，因为这个其实很方便。
  • 第一个个网站的错误是没有加入相应的包，在第二个网站和本文附录中都将解答并提供资源。方法就是把对应压缩包的东西全部放到opencv_contrib这个目录的子文件夹下，我一开始在opencv里面瞎找。。。。QAQ
  • 第二个网站的错误在后面都有解释（。。。没有往下翻的憨憨。。。。）写的挺好，就不再赘述了。就是笔者大概是笔误吧，第七步：编译OpenCV时前面创建的opencv文件夹没有用到哎，建议操作改成这样，实测可行（注意OPENCV_EXTRA_MODULES_PATH）：

  cd ~/opencv-3.4.1/
  mkdir build
  cd build
  cmake -D CMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE
  -D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local
  -D INSTALL_C_EXAMPLES=ON
  -D INSTALL_PYTHON_EXAMPLES=ON
  -D OPENCV_EXTRA_MODULES_PATH=~/opencv_contrib-3.4.1/modules
  -D ENABLE_PRECOMPILED_HEADERS=OFF
  -D BUILD_EXAMPLES=ON …

解决方案（PCL）

错误截图：

这方面资源网上真的不是很多。。找到一个比较不错的网站，链接：https://blog.csdn.net/mush_room/article/details/78411846 里面大部分都是很适用的，文章后面也给出了树莓派的安装方法，但有几个小问题要声明一下。

1. 里面对于安装pcl1.8.1没有解释，由于目前已经更新了pcl，所以如果还想安装的话，需要使用命令

git clone https://github.com/PointCloudLibrary/pcl.git -b pcl-1.8.1

用来切换到对应的分支上。
2. cmake那里会报两个错误，一个是

– The imported target “vtk” references the file
“/usr/bin/vtk”
but this file does not exist. Possible reasons include:

• The file was deleted, renamed, or moved to another location.
• An install or uninstall procedure did not complete successfully.
• The installation package was faulty and contained
  “/usr/lib/cmake/vtk-6.2/VTKTargets.cmake”
  but not all the files it references

这里参考文章https://www.icode9.com/content-4-1055883.html
输入

sudo ln -s /usr/bin/vtk6 /usr/bin/vtk

还有一个是

No package ‘metslib’ found

这里参考https://blog.csdn.net/yunluoxiaobin/article/details/103078386就可以成功啦。
最后一个估计不是谁都会碰到，就是

Could NOT find Boost (missing: iostreams) (found suitable version “1.58.0”, minimum required is “1.40.0”) Call Stack (most recent call first):

如果遇到了，重新按照https://blog.csdn.net/jzhd2015/article/details/108218350编译安装一下boos_1.58.0就好了。

出现这样的标志就代表cmake完成了。

3. 我的版本还是不是很好，有一个.h文件会报错，是一个类型不匹配的错误。这样修改一下就好了（找到这个文件，我的是pcl/segmentation/include/pcl/segmentation/plane_cofficent_comparator.h，在144行的位置加一个*号即可：
   
   成功截图：
   

解决方法（Ceres）

参考链接http://ceres-solver.org/installation.html
没什么好多说的，按着来就行，没有的附录有资源。make install时别忘了sudo。

但是！！！
再最后会出现冲突，参考博客https://blog.csdn.net/qq_41586768/article/details/107541917
所以大家可以试着去弄这个博客的东西。。。亲测可行，不需要最后 6.编译ceres_curve_fiiting也是可以的。

最后的最后

在整整折腾了近一周后，几乎每天满载负荷，终于出现了这个

终于在不懈的努力下，我完成了编译！！！！！！！！！！！！！！！！！！!
真的是太不容易了，文章中的每一个报错几乎都折腾了许久，每一个一笔带过的地方都折腾了十几分钟到几天不等。。。。。。而且很多编译都是两三个小时以上QAQ

然而这一切并不算完成，运行时依旧会出现问题，比如rviz，gzbol等等的安装。本人会在后续继续补充这些内容。感谢各位的关注。怕什么真理无穷，进一寸有一寸欢喜！！！

附录：
1.树莓派对应burst系统：https://download.csdn.net/download/weixin_46238869/85171752
5. 树莓派烧录软件：https://download.csdn.net/download/weixin_46238869/85171768
6. 树莓派连接软件putty：https://download.csdn.net/download/weixin_46238869/85171821
7. s树莓派连接软件vnc：https://download.csdn.net/download/weixin_46238869/85171786
8. 硬件演示视频：https://download.csdn.net/download/weixin_46238869/85171846
9. OpenCV缺失包，boost.zip：https://download.csdn.net/download/weixin_46238869/85171796
10. ceres-solver软件包：https://download.csdn.net/download/weixin_46238869/85179317