ROS高效进阶第六章 -- 机器人SLAM建图与自主导航之move_base
机器人SLAM建图与自主导航之move_base
- 1 背景资料
- 2 正文
-
- 2.1 move_base导航规划框架
- 2.2 mbot_navigation 样例
- 3 总结
1 背景资料
本文是机器人SLAM建图与自主导航的第三篇文章，我们将基于之前ROS高效进阶第六章 – 机器人SLAM建图与自主导航之gmapping算法的 mbot_navigation 样例进行扩充，使用 ros 的 move_base 导航与路径规划包，在有地图和没地图两种情况下，控制轮式机器人探索整个屋子。本文的测试环境是ubuntu20.04 + ros noetic。
本文参考资料如下：
（1）《ROS机器人开发实践》胡春旭 第9章
（2）ROS高效进阶第六章 – 机器人SLAM建图与自主导航之gmapping算法
（3）ROS高效进阶第六章 – Ros Action通信机制
（4）Turtlebot的建图导航之旅（宝藏文章）
（5）ROS move_base
（6）ROS Amcl
（7）ROS Navigation
（8）amcl的原理，可参考《概率机器人》
2 正文
2.1 move_base导航规划框架
（1）下面的图是move_base导航规划框架，中间白色框内是move_base，左右两边是它的依赖，蓝色图框是必须依赖，灰色图框是可选依赖。下面是它的输出，也就是经典的/cmd_vel topic，发送给机器人控制器。
安装 ros navigation包：
sudo apt-get install ros-noetic-navigation
（2）move_base依赖 lidar 识别周边环境，依赖里程计确定自己的方位。但 move_base 并不强依赖map_server的全局地图，没有地图也可以边建图边导航。如果move_base 使用了全局地图，就需要使用amcl（Adaptive Monte Carlo Localization，自适应蒙特卡罗定位）进行自身地位，确定自身在全局地图中的位置。
（3）一个机器人从起点到终点需要解决两个问题，一是路由/路线导航，二是轨迹规划。前者对应move_base的global planner，使用经典的Dijkstra或A*算法；后者对应move_base的local_planner，使用Trajectory Rollout 和 Dynamic Window Approaches。
除此之外，recovery_vehaviors是move_base的脱困功能，在机器人卡死后，进行自主脱困。
（4）在自动驾驶领域，路线导航由导航模块依赖车载地图完成。轨迹规划依赖planning模块，这是自动驾驶领域的关键，其使用路径-速度解耦规划算法，Lattice规划算法等。
（5）如果想系统的学习move_base导航规划框架，这里推荐一个宝藏博客：Turtlebot的建图导航之旅（宝藏文章）。如果想更深入学习，请去ros网站学习，链接在第一章。
2.2 mbot_navigation 样例
（1）创建相关launch文件，和控制程序文件（cpp，py各一份）
cd ~/catkin_ws/src/mbot_navigation
mkdir scritps
touch launch/amcl.launch launch/move_base.launch
touch launch/navigation_with_map.launch launch/navigation_with_gmapping.launch
touch src/exploring_house.cpp scripts/exploring_house.py
（2）amcl.launch（所有参数一律来自官方样例）
<launch>
<arg name="scan_topic" default="scan"/>
<arg name="initial_pose_x" default="0.0"/>
<arg name="initial_pose_y" default="0.0"/>
<arg name="initial_pose_a" default="0.0"/>
<node pkg="amcl" type="amcl" name="amcl" clear_params="true">
<param name="min_particles" value="500"/>
<param name="max_particles" value="3000"/>
<param name="kld_err" value="0.02"/>
<param name="update_min_d" value="0.20"/>
<param name="update_min_a" value="0.20"/>
<param name="resample_interval" value="1"/>
<param name="transform_tolerance" value="0.5"/>
<param name="recovery_alpha_slow" value="0.00"/>
<param name="recovery_alpha_fast" value="0.00"/>
<param name="initial_pose_x" value="$(arg initial_pose_x)"/>
<param name="initial_pose_y" value="$(arg initial_pose_y)"/>
<param name="initial_pose_a" value="$(arg initial_pose_a)"/>
<param name="gui_publish_rate" value="50.0"/>
<remap from="scan" to="$(arg scan_topic)"/>
<param name="laser_max_range" value="3.5"/>
<param name="laser_max_beams" value="180"/>
<param name="laser_z_hit" value="0.5"/>
<param name="laser_z_short" value="0.05"/>
<param name="laser_z_max" value="0.05"/>
<param name="laser_z_rand" value="0.5"/>
<param name="laser_sigma_hit" value="0.2"/>
<param name="laser_lambda_short" value="0.1"/>
<param name="laser_likelihood_max_dist" value="2.0"/>
<param name="laser_model_type" value="likelihood_field"/>
<param name="odom_model_type" value="diff"/>
<param name="odom_alpha1" value="0.1"/>
<param name="odom_alpha2" value="0.1"/>
<param name="odom_alpha3" value="0.1"/>
<param name="odom_alpha4" value="0.1"/>
<param name="odom_frame_id" value="odom"/>
<param name="base_frame_id" value="base_footprint"/>
node>
launch>
（2）move_base.launch如下，里面的配置参数文件来自官方样例，见：mbot_navigation
<launch>
<node pkg="move_base" type="move_base" respawn="false" name="move_base" output="screen" clear_params="true">
<param name="base_local_planner" value="dwa_local_planner/DWAPlannerROS" />
<rosparam file="$(find mbot_navigation)/config/move_base/costmap_common_params.yaml" command="load" ns="global_costmap" />
<rosparam file="$(find mbot_navigation)/config/move_base/costmap_common_params.yaml" command="load" ns="local_costmap" />
<rosparam file="$(find mbot_navigation)/config/move_base/local_costmap_params.yaml" command="load" />
<rosparam file="$(find mbot_navigation)/config/move_base/global_costmap_params.yaml" command="load" />
<rosparam file="$(find mbot_navigation)/config/move_base/move_base_params.yaml" command="load" />
<rosparam file="$(find mbot_navigation)/config/move_base/dwa_local_planner_params.yaml" command="load" />
node>
launch>
（3）navigation_with_map.launch实现了在有全局地图下的导航和规划
<launch>
<arg name="map" default="gmapping_save.yaml" />
<node name="map_server" pkg="map_server" type="map_server" args="$(find mbot_navigation)/maps/$(arg map)"/>
<include file="$(find mbot_navigation)/launch/move_base.launch"/>
<include file="$(find mbot_navigation)/launch/amcl.launch" />
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find mbot_navigation)/rviz/navigation.rviz"/>
launch>
（4）navigation_with_gmapping.launch实现了无全局地图下的导航和规划
<launch>
<include file="$(find mbot_navigation)/launch/gmapping.launch"/>
<include file="$(find mbot_navigation)/launch/move_base.launch" />
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find mbot_navigation)/rviz/navigation.rviz"/>
launch>
（5）exploring_house.cpp作为move_base action服务的客户端，用来向move_base发送目标点。ros action的原理和使用方法见：ROS高效进阶第六章 – Ros Action通信机制
#include
#include （6）exploring_house.py的功能同exploring_house.cpp，只是用python实现一遍
#!/usr/bin/env python3
import rospy
import actionlib
from actionlib_msgs.msg import *
from geometry_msgs.msg import Pose, PoseWithCovarianceStamped, Point, Quaternion, Twist
from move_base_msgs.msg import MoveBaseAction, MoveBaseGoal
def main():
rospy.init_node("move_test", anonymous=True)
move_base_client = actionlib.SimpleActionClient("move_base", MoveBaseAction)
rospy.loginfo("Waiting for move_base action server...")
while move_base_client.wait_for_server(rospy.Duration(5.0)) == 0:
rospy.loginfo("connected to move base server")
target_list = []
target_list.append(Pose(Point(6.543, 4.779, 0.000), Quaternion(0.000, 0.000, 0.645, 0.764)))
target_list.append(Pose(Point(5.543, -4.779, 0.000), Quaternion(0.000, 0.000, 0.645, 0.764)))
target_list.append(Pose(Point(-5.543, 4.779, 0.000), Quaternion(0.000, 0.000, 0.645, 0.764)))
target_list.append(Pose(Point(-5.543, -4.779, 0.000), Quaternion(0.000, 0.000, 0.645, 0.764)))
for i, target in enumerate(target_list):
start_time = rospy.Time.now()
goal = MoveBaseGoal()
goal.target_pose.pose = target
goal.target_pose.header.frame_id = 'map'
goal.target_pose.header.stamp = rospy.Time.now()
rospy.loginfo("going to {0} goal, {1}".format(i, str(target)))
move_base_client.send_goal(goal)
finished_within_time = move_base_client.wait_for_result(rospy.Duration(300))
if not finished_within_time:
move_base_client.cancel_goal()
rospy.loginfo("time out, failed to goal")
else:
running_time = (rospy.Time.now() - start_time).to_sec()
if move_base_client.get_state() == GoalStatus.SUCCEEDED:
rospy.loginfo("go to {0} goal succeeded, run time: {1} sec".format(i, running_time))
else:
rospy.loginfo("goal failed")
if __name__ == "__main__":
main()
（7）CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2)
project(mbot_navigation)
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
geometry_msgs
move_base_msgs
roscpp
rospy
actionlib
)
catkin_package()
include_directories(
${catkin_INCLUDE_DIRS}
)
add_executable(exploring_house src/exploring_house.cpp)
target_link_libraries(exploring_house
${catkin_LIBRARIES}
)
catkin_install_python(PROGRAMS
scripts/exploring_house.py
DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)
（8）编译和运行
cd ~/catkin_ws
catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES="mbot_navigation;mbot_gazebo"
source devel/setup.bash
// 打开仿真环境
roslaunch mbot_gazebo mbot_gazebo.launch
//再开一个窗口，运行有全局地图下的导航规划样例
roslaunch mbot_navigation navigation_with_map.launch
// 再开一个窗口，控制机器人行动
rosrun mbot_navigation exploring_house
// 打开仿真环境
roslaunch mbot_gazebo mbot_gazebo.launch
//再开一个窗口，运行有无全局地图下的导航规划样例
roslaunch mbot_navigation navigation_with_gmapping.launch
// 再开一个窗口，控制机器人行动
rosrun mbot_navigation exploring_house.py
3 总结
本文代码托管在本人的github上：mbot_navigation