【自主探索】基于 explore_lite包 的单个机器人自主探索建图

机器人自主建图有很多方式，比如基于位置边界的map-explore，基于快速搜索树的rrt-explore，指定区域自主探索建图frontier-explore，这几种方法各有优劣。

WIKI：explore_lite
GitHub：https://github.com/hrnr/m-explore

一、简介

explore-lite 提供了贪婪的基于边界的探索。当节点运行时，机器人会贪婪地探索它的环境，直到找不到边界，它的移动命令会发送至 move-base 节点。

explore_lite 不会创建自己的成本图，这使得配置更容易，效率更高（资源更少）。Node 只是订阅 nav_msgs/OccupancyGrid 消息。机器人移动命令发送到 move-base 节点。

节点可以进行边界过滤，甚至可以在非膨胀地图上操作。目标黑名单允许处理机器人无法进入的地方，也就是说可以在 move-base 的的代价地图层中配置禁止层参数，explore-lite 也会识别到，并不去探索这部分边界。

二、安装 explore_lite

方法一 自动安装：sudo apt-get install ros-ros版本(melodic、noetic等)-explore-lite

方法二 手动安装：git clone https://github.com/hrnr/m-explore.git

（explore 就是 explore_lite包，这个功能包的使用也很简单，src 中是源码，include 中是头文件，而我们使用时只需配置好相应的 launch 文件即可。）

三、launch 文件配置

找到 explore_lite 的功能包，其中 launch 文件夹下面有两个，配置 explore_lite 即可。

explore_costmap.launch 配置文件如下，其中需要注意的是 robot_base_frame、costmap_topic 和 costmap_updates_topic。

<launch>
	<node pkg="explore_lite" type="explore" respawn="false" name="explore" output="screen">
	    <!--机器人底盘坐标系-->
	  <param name="robot_base_frame" value="base_footprint"/>
	    <!--地图主题-->
	  <param name="costmap_topic" value="move_base/global_costmap/costmap"/>
	    <!--地图更新，如果地图来源始终发布完整更新，即不提供此主题，则不需要-->
	  <param name="costmap_updates_topic" value="move_base/global_costmap/costmap_updates"/>
	  <!--指定是否发布可视化边界-->
	  <param name="visualize" value="true"/>  
	  <!--计算新边界和重新考虑目标的频率（Hz）-->
	  <param name="planner_frequency" value="0.33"/>
	  <!--时间以秒为单位。当机器人在 progress_timeout 没有任何进展时，当前目标将被放弃。-->
	  <param name="progress_timeout" value="30.0"/>
	  <!--用于加权边界。这个乘法参数影响边界权重的边界潜在分量（到边界的距离）。-->
	  <param name="potential_scale" value="3.0"/>
	  <!--用于加权边界。这个乘法参数影响边界权重的边界方向分量。此参数目前不执行任何操作，仅用于向前兼容。-->
	  <param name="orientation_scale" value="0.0"/>
	  <!--用于加权边界。这个乘法参数影响边界权重（边界大小）的边界增益分量。-->
	  <param name="gain_scale" value="1.0"/>
	  <!--变换机器人姿势时使用的变换容差。-->
	  <param name="transform_tolerance" value="0.3"/>
	  <!--将边界视为探索目标的边界的最小大小。以米为单位。-->
	  <param name="min_frontier_size" value="0.5"/>
	</node>
</launch>

explore.launch 配置文件如下，其中需要注意的是 robot_base_frame、costmap_topic 和 costmap_updates_topic。

<launch>
  <node pkg="explore_lite" type="explore" respawn="false" name="explore" output="screen">
    <param name="robot_base_frame" value="base_footprint"/>
    <param name="costmap_topic" value="map"/>
    <param name="costmap_updates_topic" value="map_updates"/>
    <param name="visualize" value="true"/>
    <param name="planner_frequency" value="0.33"/>
    <param name="progress_timeout" value="60.0"/>
    <param name="potential_scale" value="3.0"/>
    <param name="orientation_scale" value="0.0"/>
    <param name="gain_scale" value="1.0"/>
    <param name="transform_tolerance" value="0.3"/>
    <param name="min_frontier_size" value="0.75"/>
  </node>
</launch>

explore_costmap.launch 与 explore.launch 相比只是关于地图话题 costmap_topic 和 costmap_updates_topic 做了修改，改为了 move_base 发布的地图话题，然后对最后一个参数进行了修改，因为 move_base 的代价地图有障碍物膨胀系数，所以将这个参数进行了略微扩大。

move_base launch 相关配置

<launch>
  <!-- Arguments -->
  <arg name="odom_frame_id"   default="odom"/>
  <arg name="base_frame_id"   default="base_footprint"/>
  <arg name="global_frame_id" default="map"/>
  <arg name="laser_topic"     default="scan"/>
  <arg name="cmd_vel_topic"   default="cmd_vel" />
  <arg name="odom_topic"      default="odom" />
  <arg name="move_forward_only" default="false"/>
 
  <!-- move_base -->
  <node pkg="move_base" type="move_base" respawn="false" name="move_base" output="screen">
    <param name="base_local_planner" value="dwa_local_planner/DWAPlannerROS" />
    <rosparam file="$(find nav_01)/param/costmap_common_params.yaml" command="load" ns="global_costmap" />
    <rosparam file="$(find nav_01)/param/costmap_common_params.yaml" command="load" ns="local_costmap" />
    <rosparam file="$(find nav_01)/param/local_costmap_params.yaml" command="load" />
    <rosparam file="$(find nav_01)/param/global_costmap_params.yaml" command="load" />
    <rosparam file="$(find nav_01)/param/base_local_planner_params.yaml" command="load" />
    
    <!-- <rosparam file="$(find nav_01)/param/move_base_params.yaml" command="load" /> -->
    <!-- <rosparam file="$(find nav_01)/param/dwa_local_planner_params.yaml" command="load" /> -->
    
    <param name="global_costmap/global_frame" value="$(arg global_frame_id)"/>
    <param name="global_costmap/robot_base_frame" value="$(arg base_frame_id)"/>
    <param name="local_costmap/global_frame" value="$(arg odom_frame_id)"/>
    <param name="local_costmap/robot_base_frame" value="$(arg base_frame_id)"/>
    <param name="DWAPlannerROS/global_frame_id" value="$(arg odom_frame_id)"/>
    
    <param name="DWAPlannerROS/min_vel_x" value="0.0" if="$(arg move_forward_only)" />
    
    <remap from="cmd_vel" to="$(arg cmd_vel_topic)"/>
    <remap from="laser_topic" to="$(arg laser_topic)"/>
    <remap from="odom" to="$(arg odom_topic)"/>
 
  </node>
</launch>

nav_01是自己创建的包，存放的是move_base相关配置，可以去官方网站复制

一个launch启动所有自主建图的节点

<launch>
    <!--参数配置，运动是否只向前，false 则表示小车可以后退操作-->
    <arg name="move_forward_only" default="true" />  
    
    <!--启动gmapping建图-->
    <include file="$(find nav_01)/launch/nav01_slam.launch" />
 
    <!--启动move_base-->
    <include file="$(find explore_lite_test)/launch/move_base.launch">
        <arg name="move_forward_only" value="$(arg move_forward_only)"/>
    </include>
 	
 	 <!--启动rviz-->
 	<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find explore_lite_test)/rviz/rviz.rviz"/>

    <!--启动explore_costmap-->
    <include file="$(find explore_lite)/launch/explore.launch" />
   
</launch>

还需要启动gazebo和robot，我是之前有写过这个launch，这里就直接用的之前的

<launch>

    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf02_gazebo)/urdf/mycar.xacro" />

    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
        <!-- <arg name="world_name" value="$(find urdf02_gazebo)/worlds/box_house.world" /> -->
        <arg name="world_name" value="$(find urdf02_gazebo)/worlds/demo03.world" />
    </include>

    <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description"  />

</launch>

注意：启动自主建图的步骤：

1、启动 gazebo

2、启动 cartographer 或者 gmapping 建图，发布 /map 话题

3、启动 move_base 保证接收到 goal 后能够发布 /cmd_vel 话题

4、启动 explore_lite launch 文件即可

四、实验效果

小车经常出现撞墙的现象，不知道是哪里参数设置地有问题，，，弄清楚原因后再来补充。

五、常见问题

1、启动各个节点以后，并没有开始路径规划，小车未移动。

检查节点各个话题是否能对应上，tf 树是否正确，另外小车的基体坐标系是 base_link 还是 base_footprint。

2、节点话题都对应的上，小车还是不走的情况。

检查 cartographer 或者 gmapping 的地图发布频率，建议发布速度为 5Hz。或者检查 gmapping 建图中map_update_interval 这个参数，改为0.01。

3、若手动下载 explore_lite 包，功能包文件夹名称和package.xml文件中定义的不一致，需要先将文件夹名称进行修改。若编译功能区间时报错：这个功能包无法定位。

可以使用下面的代码解决：catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=explore_lite

上面是编译自主建图的功能包，下面是地图融合的功能包：catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=multirobot_map_merge

进行完这些步骤之后，就可以依次运行gazebo仿真、slam建图程序、move-base导航程序、rviz可视化界面、自主建图程序。

六、explore_lite 解析

explore_lite 使用 move_base 进行导航。你需要运行配置正确的 move_base 节点。

explore_lite 订阅 nav_msgs/OccupancyGrid 和 map_msgs/OccupancyGridUpdate 消息来构建地图，并在其中寻找边界。可以使用 move_base 发布的成本地图（即 /global_costmap/costmap），也可以使用映射算法（SLAM）构建的地图。

根据环境的不同，使用 SLAM 地图或 move_base 发布的成本地图可能会取得更好的效果。move_base 成本地图的优势在于膨胀，这有助于处理一些非常小的无法探索的边界。在使用 SLAM 生成的原始地图时，应将 min_frontier_size 参数设置为某个合理的数字，以处理小边界。有关这两种设置的详细信息，请查看 explore.launch 和 explore_costmap.launch 启动文件。

ROS API —— explore

提供本软件包提供的探索服务。节点初始化后将立即开始探索。

1、调用的操作

• move_base (move_base_msgs/MoveBaseAction)
  用于发布目标的 move_base actionlib API。详见 move_base#Action API。该 API 希望 move_base 节点与 explore_lite 位于同一命名空间，否则可能需要重新映射该节点。

2、订阅的主题

• costmap (nav_msgs/OccupancyGrid)
  用于勘探规划的地图。可以是来自 move_base 的成本地图，也可以是 SLAM 创建的地图（见上文）。占用网格必须有正确标记的未知空间，绘图算法通常默认跟踪未知空间。如果要使用 move_base 提供的 costmap，则需要通过设置 track_unknown_space：true 来启用未知空间追踪功能。
  costmap_updates (map_msgs/OccupancyGridUpdate)
  对成本地图进行增量更新。如果地图源始终发布完整更新，即不提供此主题，则不需要。

3、发布的主题

• ~frontiers (visualization_msgs/MarkerArray)
  探索算法所考虑的边界可视化。每个边界都由蓝色的边界点和一个小球体可视化，小球体可视化边界的成本（成本较高的边界球体较小）。

4、参数

• ~robot_base_frame （字符串，默认为 base_link）
  机器人基准框架的名称。用于确定机器人在地图上的位置。必须填写。
• ~costmap_topic （字符串，默认值： costmap）
  指定来源 nav_msgs/OccupancyGrid 的主题。必须填写。
• ~costmap_updates_topic （字符串，默认值： costmap_updates）
  指定源 map_msgs/OccupancyGridUpdate 的主题。如果地图源始终发布完整更新，即不提供此主题，则不需要。
• ~visualize （bool，默认：false）
  指定是否发布可视化边界。
• ~planner_frequency （double，默认：1.0）
  以 Hz 为单位计算新边界和重新考虑目标的频率。
• ~progress_timeout （double，默认值：30.0）
  以秒为单位的时间。当机器人在 progress_timeout 时间内没有取得任何进展时，将放弃当前目标。
• ~potential_scale （double，默认值：1e-3）
  用于加权边界。这个乘法参数会影响边界权重（到边界的距离）中的边界势能分量。
• ~orientation_scale （double，默认值：0）
  用于加权边界。该乘法参数影响边界权重的边界方向分量。该参数目前没有任何作用，仅用于向前兼容。
• ~gain_scale （double，默认值：1.0）
  用于加权边界。该乘法参数影响边界权重的边界增益分量（边界大小）。
• ~transform_tolerance （double，默认：0.3）
  机器人姿势变换时使用的变换容差。
• ~min_frontier_size （double，默认值： 0.5）
  将边界作为探索目标时的最小边界尺寸。单位为米。

5、所需 tf 变换

• global_frame → robot_base_frame
  这种变换通常由映射算法提供。这些框架通常称为 map 和 base_link。要调整机器人基准帧名称，请参阅相关参数。您无需设置 global_frame。global_frame 的名称将自动从 costmap_topic 中获取。

附：

1、各个节点后的节点图

参考：

1. https://github.com/hrnr/m-explore/tree/melodic-devel
2. http://wiki.ros.org/explore_lite
3. http://wiki.ros.org/multirobot_map_merge