ROS 教程之 navigation : 用 move_base 控制自己的机器人(2)

        在这一篇文章中,将主要介绍如何将DSP上采集到的速度转化为Odom,即左右轮速度转化为机器人离起点的x,y坐标和机器人的朝向角yaw,让move_base可以订阅到这个信息并做出相应的路径规划。在wiki论坛上有一个很详细的例程是关于如何发布Odometry信息的,希望大家先仔细阅读。在这个程序里,它把转化好的Odom信息发布到了两个地方,第一个是广播了tf关系,即每次机器人移动以后,/odom坐标系和/base_linke的关系,(关于为什么要发布这tf关系,见第三篇博文);第二个是将消息发布到odom topic上。这两个东西都将是move_base需要的。

       但是它的那段演示程序里,将机器人x轴方向的速度,y轴方向速度,以及旋转速度设置为常数了,实际中肯定是变化的。因此我们只需要将两轮的速度转化为x轴的速度(即前进方向的速度)和绕z轴旋转的速度,再套用到那个程序里去,就能发布机器人的位姿给move_base了。

      下面这段程序就是我的转换方法:

    def speed_to_odom(self, Lspeed = 0, Rspeed = 0):
        delta_speed = Rspeed - Lspeed
        if delta_speed < 0:
            theta_to_speed = 0.0077 #右转系数
        else:
            theta_to_speed = 0.0076  #左转系数
            
        #*比例系数是将单位时间内的左右轮位移差(速度差)转化旋转的角度增量,再除以20ms,得到旋转角速度
        v_th = delta_speed  * theta_to_speed / 0.02   
        v_x = (Rspeed + Lspeed)/2.0    
        v_y = 0.0
        return v_x, v_y, v_th #返回x,y轴速度,以及旋转速度th

      程序中20ms为速度采样的周期。在这个转换关系,我是把y轴速度设为0,左右轮速度的平均就是前进速度(即x轴速度),左右轮速度的差转化为旋转速度。请注意:将y轴速度设为0这种转换时可行,也就是假定20ms内,机器人没有在垂直于轮子的方向上发生位移。

      将左右轮速度转化完以后,就可以用官网的例程发布Odom消息了。

      下面总结下思路,再贴出这段的完整源程序。在我的程序中,也就是前面所说的中间通信层程序,首先用pyserial监听串口,一旦收到左右轮的速度信息,马上将左右轮的速度信息转化为x轴方向的前进速度,和绕z轴的旋转速度,然后将这个信息发布到一个主题上(我程序中为car_speed主题)。对官网那段程序进行改进,订阅这个car_speed消息,一旦收到各轴速度,由其速度转化机器人的坐标以及航向角yaw,这些信息作为Odom topic发布。

      首先看如何将左右轮速度值转变为前进速度linear.x和转向速度angular.z的程序,有了linear.x和angular.z以后再来考虑发布odom:

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
import roslib;roslib.load_manifest('beginner_tutorials')
import rospy
from  beginner_tutorials.msg import Num, carOdom #自定义的消息
from geometry_msgs.msg import Twist

import serial_lisenning as COM_ctr #自己写的串口监听模块
import glob
from math import sqrt, atan2, pow


class bluetooth_cmd():
    def __init__(self):
        rospy.init_node('robot_driver', anonymous=True)
    
    def callback(self,msg ):

        cmd_twist_rotation =  msg.angular.z #
        cmd_twist_x  = msg.linear.x * 10.0
        cmd_twist_y =  msg.linear.y * 10.0
        
        wheelspeed = self.odom_to_speed(cmd_twist_x, cmd_twist_y,cmd_twist_rotation)
        print 'msg:', msg
        print wheelspeed
        self.blue_tooth_send([wheelspeed[0], self.speed_kp, self.speed_ki,  wheelspeed[1]])
    
    def odom_to_speed(self, cmd_twist_x =0, cmd_twist_y=0,cmd_twist_rotation=0):
        
        cent_speed = sqrt(pow(cmd_twist_x, 2) + pow(cmd_twist_y, 2))
        yawrate2 = self.yawrate_to_speed(cmd_twist_rotation)
        
        Lwheelspeed = cent_speed - yawrate2/2
        Rwheelspeed = cent_speed + yawrate2/2
        
        return Lwheelspeed, Rwheelspeed
        
    def yawrate_to_speed(self, yawrate):
        if yawrate > 0:
            theta_to_speed = 0.0077 #右转系数
        else:
            theta_to_speed = 0.0076  #左转系数
            
        x = (yawrate * 0.02) / theta_to_speed #yawrate :rad/s  *0.02表示 20ms内应该转多少弧度,/0.0076是把 要转的弧度转化为左右轮速度差
        return   x
        
    def talker(self):
        self.rec_data = COM_ctr.SerialData( datalen = 2)  #启动监听COM 线程
        allport = glob.glob('/dev/ttyU*')
        port = allport[0]
        baud = 115200
        openflag = self.rec_data.open_com(port, baud)
        
        rospy.Subscriber("/cmd_vel", Twist, self.callback)#订阅move_base发出的控制指令
        
        pub = rospy.Publisher('car_speed', carOdom)
        pub_wheel = rospy.Publisher('wheel_speed', Num) #左右轮速度
        
        r = rospy.Rate(500) # 100hz
        Lwheelpwm= 0
        
        sumL = 0
        sumR = 0
        
        while not rospy.is_shutdown():
            all_data = []
            if self.rec_data.com_isopen():
                all_data = self.rec_data.next()  #接收的数据组
       
            if all_data != []:  #如果没收到数据,不执行下面的
                wheelspeed = Num()  #自己的消息
                car_speed = carOdom()
                leftspeed = all_data[0][0]
                rightspeed = all_data[1][0]
                wheelspeed.leftspeed = leftspeed
                wheelspeed.rightspeed = rightspeed
                #左右轮速度转化为机器人x轴前进速度和绕Z轴旋转的速度
                resluts = self.speed_to_odom(leftspeed, rightspeed)
                car_speed.x = resluts[0]
                car_speed.y = resluts[1]
                car_speed.vth = resluts[2]

                pub.publish(car_speed)
                pub_wheel.publish(wheelspeed)
                
            r.sleep()
         
        if openflag:
            self.rec_data.close_lisen_com()  
    
    def speed_to_odom(self, Lspeed = 0, Rspeed = 0):
        delta_speed = Rspeed - Lspeed
        if delta_speed < 0:
            theta_to_speed = 0.0077 #右转系数
        else:
            theta_to_speed = 0.0076  #左转系数
            
        v_th = delta_speed  * theta_to_speed / 0.02    # first : transform delta_speed to  delta_theta .   second: dived by delta_t (20ms), get the yawrate
        v_x = (Rspeed + Lspeed)/10.0/2.0    # Lspeed : dm/s   -- > m/s  so need to /10.0
        v_y = 0.0
        return v_x, v_y, v_th
        
    def blue_tooth_send(self, data = [], head = 'HY'):
        if data !=[] and self.rec_data.com_isopen():
            self.rec_data.send_data(data, head)   #绕中心轴旋转 设定为0
#        print data
            
if __name__ == '__main__':
    try:
        car_cmd = bluetooth_cmd()
        car_cmd.talker()
    except rospy.ROSInterruptException: pass

       注意这段程序里用了自己定义的msg:Num 和 carOdom。这两个msg文件存放于beginner_tutorials/msg文件夹下。如果不知道怎么创建msg,可以看官网的教程或者我的另一篇博文。

这里贴出我定义的消息的内容:

Num.msg:

float32 leftspeed
float32 rightspeed
carOdom.msg:
float32 x
float32 y
float32 vth

      上面程序发布的/car_speed topic就包含了车子的linear.x和angular.z,运行这个节点以后,我们可以使用rostopic指令来监控这个主题发布的频率:

rostopic hz /car_speed
看主题发布的频率是否和期待的一致。

      现在已经将左右轮速度转化为x轴速度和旋转速度了,下面贴出我改进的官网教程代码,教大家如何发布Odom信息和odom与base_link之间的tf转换关系。官网教程里的vx,vy,vth为常数,我们这里先订阅自己上段程序发布的car_speed主题,也就是订阅机器人实时的前进速度x和旋转速度。把官网程序由常数改为机器人实际速度就行了。下面程序为C++写的,在beginner_tutorials/src文件夹下创建空白文档,命名为your_filename.cpp,把下列代码复制进去:

#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
#include <nav_msgs/Odometry.h>
#include <beginner_tutorials/carOdom.h>
//goal:subscribe the car_speed, then send them
class SubscribeAndPublish
{
public:
  SubscribeAndPublish()
  {
     x_ = 0.0;
     y_ = 0.0;
     th_ = 0.0;

     vx_ = 0.0;
     vy_ = 0.0;
     vth_ = 0.0;
     current_time_ = ros::Time::now();
     last_time_ = ros::Time::now();
    //Topic you want to publish
    pub_ = n_.advertise<nav_msgs::Odometry>("odom", 1);

    //Topic you want to subscribe
    sub_ = n_.subscribe("car_speed", 1, &SubscribeAndPublish::callback, this);
  }

  void callback(const beginner_tutorials::carOdom::ConstPtr& input)
  {
    //nav_msgs::Odometry output;
    //.... do something with the input and generate the output...
    current_time_ = ros::Time::now();
	
    vx_ = input->x;
    vy_ = input->y;
    vth_ = input->vth;
	
    //compute odometry in a typical way given the velocities of the robot
    //double dt = (current_time - last_time).toSec();
    double dt = 0.02;
    double delta_x = (vx_ * cos(th_) - vy_ * sin(th_)) * dt;
    double delta_y = (vx_ * sin(th_) + vy_ * cos(th_)) * dt;
    double delta_th = vth_ * dt;

    x_ += delta_x;
    y_ += delta_y;
    th_ += delta_th;

    //since all odometry is 6DOF we'll need a quaternion created from yaw
    geometry_msgs::Quaternion odom_quat = tf::createQuaternionMsgFromYaw(th_);

    //first, we'll publish the transform over tf
    geometry_msgs::TransformStamped odom_trans;
    odom_trans.header.stamp = current_time_;
    odom_trans.header.frame_id = "odom";
    odom_trans.child_frame_id = "base_link";

    odom_trans.transform.translation.x = x_;
    odom_trans.transform.translation.y = y_;
    odom_trans.transform.translation.z = 0.0;
    odom_trans.transform.rotation = odom_quat;

    //send the transform
    odom_broadcaster_.sendTransform(odom_trans);

    //next, we'll publish the odometry message over ROS
    nav_msgs::Odometry odom;
    odom.header.stamp = current_time_;
    odom.header.frame_id = "odom";

    //set the position
    odom.pose.pose.position.x = x_;
    odom.pose.pose.position.y = y_;
    odom.pose.pose.position.z = 0.0;
    odom.pose.pose.orientation = odom_quat;

    //set the velocity
    odom.child_frame_id = "base_link";
    odom.twist.twist.linear.x = vx_;
    odom.twist.twist.linear.y = vy_;
    odom.twist.twist.angular.z = vth_;

    //publish the message
    pub_.publish(odom);

    last_time_ = current_time_;

  }

private:
// 
  ros::NodeHandle n_; 
  ros::Publisher pub_;
  ros::Subscriber sub_;
  ros::Time current_time_, last_time_;
  tf::TransformBroadcaster odom_broadcaster_;
  double x_ ;
  double y_ ;
  double th_ ;

  double vx_;
  double vy_ ;
  double vth_ ;

};//End of class SubscribeAndPublish

int main(int argc, char **argv)
{
  //Initiate ROS
  ros::init(argc, argv, "odometry_publisher");

  //Create an object of class SubscribeAndPublish that will take care of everything
  SubscribeAndPublish SAPObject;

  ros::spin();

  return 0;
}

      这段程序首先订阅car_speed这个主题,一旦收到机器人的x轴速度和转向速度,就调用callback去发布消息,让move_base可以订阅到。

      注意:这段程序要能运行,必须在你的beginner_tutorials这个包里添加对tf,nav_msgs的依赖。

<depend package="tf"/>
<depend package="nav_msgs"/>
要添加对这两个包的依赖,需要修改 在package.xml和CMakeLists.txt进行修改:
在package.xml中添加:

  <build_depend>tf</build_depend>
  <build_depend>nav_msgs</build_depend>
  <run_depend>tf</run_depend>
  <run_depend>nav_msgs</run_depend>
然后在CMakeLists.txt中 find_package(...)里添加 tf 和 nav_msgs就行了,最终得到:
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
  message_generation
  tf
  nav_msgs
)

最后还要为了使得你的C++程序能够运行,在CMakeLists.txt中最后或者相应位置,还要添加上如下指令:

add_executable(publish_odom src/publish_odom.cpp)
target_link_libraries(publish_odom ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(publish_odom beginner_tutorials_generate_messages_cpp) 

完成这些以后,编译一下你的catkin_ws工作空间,在新终端中输入如下指令:

cd ~/catkin_ws
catkin_make

          现在,有了这两个节点程序,dsp到move_base和move_base到dsp这条路通了,只要建立地图,发布坐标转换就可以用了。在下一篇文章中,我们将介绍几个与导航有关的 tf 坐标转换,再在一个空白地图上使用move_base进行导航。

       最后,关于这种左右轮速度转化为Odom的程序,ros论坛里有,如这个链接。ros自己写好的教程里也有如arbotix_driver 这个节点程序里有一句,你可以在你的文件系统里搜索arbotix_driver

from arbotix_python.diff_controller import DiffController

你在文件系统里搜索diff_controller这个文件,打开它就可看到相应的转换程序,楼主和他们的其实相差无几。


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