《动手学ROS2》10.6导航地图概述

《动手学ROS2》10.6导航地图概述

本系列教程作者:小鱼
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10.6导航地图概述

地图是对环境建模的结果,拥有地图,我们就可以在不进行任何测量的情况下来了解环境,从而完成一些比如路径规划的操作。

本节小鱼带你一起了解ROS2中地图的原理、常见格式及转换,加载方式、修改方式等基本操作。同时需要重点了解占据栅格地图(OccupancyGridMap)的概念。

1.地图与占据栅格地图

在日常生活中,我们会用到各种各样的地图,比如交通轨道图、城市地图、世界地图。

1.1 地图分类

我们根据地图所表达信息的不同可以将地图分为三类:

  1. 尺度地图(Metric Map)

尺度地图用于表示尺寸距离,可以理解为把真实世界按比例缩小,尺度地图中每个点都可以使用一个经纬值进行表示。

因为尺度地图是按照真实世界按比例缩小,所以要有比例尺来表示缩小比例。

  1. 拓扑地图(Topological Map)

    拓扑地图用于表示点与点之间的连接信息,比如地铁轨道交通图。

  2. 语义地图(Semantic Map)

    语义地图可以理解为在上面两个地图上增加了语义,比如尺度地图中某处是红绿灯、斑马线。拓扑地图中某个点是深圳北站。

在机器人领域,尺度地图常用于定位于地图构建(Mapping)、定位(Localization)和同时定位与地图构建(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM),拓扑地图常用于路径规划(Path Planning),而语义地图常用于人机交互(Human Robot Interaction)。

1.2 占据栅格地图

我们先了解下什么是栅格地图(Grid Map)。

《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第1张图片

如上图将地图数据分割为一块块的栅格来表达地图信息,就是栅格地图。

那什么是占据(Occupancy)呢?

机器人通过激光雷达等传感器来感知深度信息,但我们知道,传感器都是有噪声的(在前面的机器人仿真建模过程中,我们为了更加真实给激光雷达还添加了高斯噪声),所以机器人前方的某个位置到底有没有物体(障碍物)是不确定的。

我们可以采用概率来解决这一问题,认为确实有物体的栅格的占据率为100%,确定没有物体的栅格占据率为0%,不确定的栅格就用(确认占据概率/确认非占据概率)值表示占据率。

由此我们知道占据栅格地图就是一张写满占据率的格子组成的地图。

《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第2张图片

我们在做机器人的路径规划的时候,需要确定一个格子是有障碍物?没障碍物?还是未知呢?所以我们一般会设定两个阈值:

  • 占据阈值(occupied_thresh),比如0.65,则表示栅格占据率大于0.65的认为是有障碍物。
  • 空闲阈值(free_thresh),比如0.25,则表示栅格占据率小于0.25的认为没有障碍物。

那在free_thresh和occupied_thresh之间的则认为是未知区域(未探索)。

2.地图文件介绍

2.1 地图数据文件.pgm介绍

OccupancyGrid由一个.yaml格式的元数据文件,和.pgm图片格式的地图数据文件组成。从上节课建图后保存的文件也可以看出。

.
├── fishbot_map.pgm
└── fishbot_map.yaml

0 directories, 2 filesCopy to clipboardErrorCopied

《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第3张图片

打开上节课建好的地图,观察下,你应该会有几点疑问:

  1. 不是说占据栅格地图每个栅格都有一个概率吗?为什么看不出来?
  2. 立方体内和圆柱体内和墙之外的区域为什么是灰色的?

原因如下:

  1. 一个栅格对应到图片上其实是一个像素,每一个像素的值在0-255之间,所以将像素值和占据率之间的映射即可,而像素值反应到图像上就是颜色的深浅,1.2图对应的像素颜色如下:

《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第4张图片

  1. 建图的时候物体内和墙之外的区域机器人并没有探索到,没有数据参考就认为其值是未知的。

2.2 地图描述文件.yaml介绍

除了fishbot_map.pgm文件外,还有另外一个fishbot_map.yaml的文件,fishbot_map.yaml文件是地图的配置文件,该文件内容如下:

image: fishbot_map.pgm
mode: trinary
resolution: 0.05
origin: [-3.37, -2.88, 0]
negate: 0
occupied_thresh: 0.65
free_thresh: 0.25Copy to clipboardErrorCopied
  • image:图像名称
  • mode:图像模式,默认为trinary(三进制),还有另外两个可选项scale(缩放的)和raw(原本的值)。
  • resolution:分辨率,一个栅格对应的物理尺寸,单位为m。0.05则表示一个栅格为0.05m
  • origin:地图原点位置,单位是m。
  • negate:是否反转图像
  • cooupied_thresh:占据阈值
  • free_thresh:空闲阈值

如何在地图上找出机器人原点的像素位置?

  1. 图像的像素原点在左下角
  2. 借张图左边的0,0是地图原点,右边的图是图像的像素原点
    《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第5张图片
  3. 假如机器人地图原点是[-3.37m, -2.88m],除上分辨率则可得到像素原点[-67.4px,-57.6px]。地图原点在x和y轴分别偏移[-67.4px,-57.6px]就到了像素原点,反过来说,地图原点就在像素原点的[67.4px,57.6px]处。

3.地图加载

3.1 启动地图

了解完地图的格式和描述文件,接着我们看看如何将地图加载到rviz2中进行显示。我们使用nav2_map_server进行地图的保存,也可以使用它来加载地图。

打开终端,进入src/map/运行下面指令:

ros2 run nav2_map_server map_server --ros-args --param yaml_filename:=map/fishbot_map.yamlCopy to clipboardErrorCopied

其中--ros-args --param yaml_filename:=map/fishbot_map.yaml指定地图描述文件名称.fishbot_map.yaml

3.2 打开rviz2

打开终端

rviz2Copy to clipboardErrorCopied

通过add->bytopic->选择map组件。此时你应该什么都看不到,没关系,这是正常的。

3.3 配置并激活map_server

map_server节点采用的是ROS2的生命周期进行编写的,除了启动节点,我们还需要手动的配置和激活节点才能使用。

打开新的终端,使用下面指令进行配置:

ros2 lifecycle set /map_server configureCopy to clipboardErrorCopied

使用下面的指令进行激活:

ros2 lifecycle set /map_server activateCopy to clipboardErrorCopied

完成这一步,你应该就可以在rviz2中看到地图了。

《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第6张图片

将栅格数量改大,然后将Grid的cellsize改成0.05,你就可以看到我们之间建立的地图每一个栅格的占据情况了。

《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第7张图片

生命周期节点转换图如下:
《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第8张图片

4.地图编辑

最后我们来说一下如何对地图进行编辑,地图编辑的方法有很多,你可以手动改图片,也可以通过opencv等图像处理库进行图像的去除噪点等操作。

这里小鱼介绍的是手动添加一个地图用PS进行编辑 。

打开网址:https://www.gaituya.com/ps/

接着点击文件打开选择我们的.pgm文件,即可看到下图。

《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第9张图片

接着小鱼将下面的正方形给补上。

《动手学ROS2》10.6导航地图概述_第10张图片

保存后在文件选择导出为png格式即可,因为PS并不支持pgm格式的导出,所以我们选择png格式,幸运的是png格式的地图也是被map_server所支持的。

把导出的图片放到map文件夹下,接着我们需要修改下yaml配置文件中图片的后缀。

image: fishbot_map.png
mode: trinary
resolution: 0.05
origin: [-3.37, -2.88, 0]
negate: 0
occupied_thresh: 0.65
free_thresh: 0.25Copy to clipboardErrorCopied

接着你可以重新运行下map_server(记得先关闭rviz2),然后看一下map是否发生了改变。

5. 总结

本节我们主要学习了地图的相关概念以及加载和编辑的方式,下一节我们就开始正式学习Nav2导航框架。

参考文章:

  • https://zhuanlan.zhihu.com/p/21738718

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