1. 简介

这篇博客主要记录学习ROS的笔记，内容来源于:

• bili古月居
• udemy
• 古月居课件及源码

2. 古月居

2.1. ROS安装

根据ROS-wiki的说明一步步进行安装

2.2. ROS是什么

• ROS发展史:

• ROS能提高机器人研发中软件的复用率

2.3. ROS的核心概念

• 节点(Node)是ROS中的执行单元:
  • 执行具体任务的进程、独立运行的可执行文件
  • 不同节点可使用不同的编程语言，分布式运行在不同的主机
  • 节点在系统的名称必须唯一
• 节点管理器(ROS Master)是ROS的控制中心:
  • 为节点提供命名和注册服务
  • 跟踪和记录话题/服务通信，辅助节点相互查找、建立连接
  • 为节点提供参数

• 话题通信机制(异步):
  • 话题(Topic)
    • 节点间用来传输数据的重要总线
    • 使用发布/订阅模型，数据由发布者传输到订阅者，同一个话题的订阅者或发布者可以不唯一
  • 消息(Message)
    • 具有一定类型的数据结构
    • 使用编程语言无关的.msg文件定义，编译过程中生成对应的代码文件

• 服务通信机制(同步):
  • 服务(Service)
    • 使用客户端/服务器模型，客户端发送请求数据，服务器完成处理后返回应答数据
    • 使用编程语言无关的.srv文件定义请求和应答数据结构

• 话题和服务通信的区别:

• 参数-全局共享字典:
  • 可通过网络访问共享、多变量字典
  • 节点使用此服务器来存储和检索运行时的参数
  • 不适合存储动态配置的数据

• 文件系统

2.4. ROS命令行工具

• 常用命令: rostopic/rosservice/rosnode/rosparam/rosmsg/rossrv

• rqt_graph可以查看系统的节点和通信机制

rqt_graph

• rosnode list可以查看节点的列表
• rosnode info /turtlesim可以查看turtlesim这个节点的信息
• rostopic list可以查看话题的列表
• rostopic pub /turtlesim/cmd_vel ...可以使用cmd_vel话题发送消息
• rosmsg show geometry_msgs/Twist可以查看某个消息的信息
• rosservice list可以查看ROS中服务的列表
• rosservice call ...可以调用某个服务

• rosbag record ...可以记录某一个话题
• rosbag play ...可以通过保存的bag文件来复现该话题

2.5. 创建工作空间与功能包

• 工作空间是一个存放工程开发相关文件的文件夹

• 创建工作空间的步骤

• catkin_make install创建install空间
• 创建功能包

2.6. Publisher的编程实现

• 话题模型

• 首先创建功能包

cd ~/catkiin_ws/src
catkin_create_pkg learning_topic roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim

• 使用c++创建publisher

• 创建publisher时需要声明消息类型，话题的名称，创建publisher完毕后，即可创建消息来让publisher发布
• 配置publisher代码编译的规则(在cmakelists中)

• 设置需要编译的代码和生成的可执行文件/设置链接库
• 编译并运行发布者

• python实现publisher

2.7. Subscriber的实现

• python实现subsriber

2.8. 话题消息的定义与使用

• 自定义话题消息
  • 定义msg文件
  • 在package.xml中添加功能包的依赖
  • 在CMakeLists中添加编译选项
  • 编译生成语言相关文件

• python实现topic

• 定义publisher和subscriber(需要声明topic和消息)

2.9. client实现

• 服务模型(C/S模型):

• python实现client

2.10. server实现

• python实现server:

2.11. 服务数据的定义与使用

• 自定义服务数据

• 服务模型

• 首先生成server节点，然后创建service，client在发现service后创建并发送数据，server在接受数据后进入callback返回request

2.12. 参数的使用与编程方法

• 参数模型

3. Udemy课程

3.1. Course Overview

3.1.1. Installation of turtlebot3

• 这小节主要介绍如何安装turtlebot3:
• 按照udemy的讲义上一步步安装，首先安装ros-noetic-navigation和ros-noetic-slam-gmapping，然后拷贝github上的代码到本地编译turtlebot3，同样的做法安装turtlebot3-simulation

3.1.2. Turtlebot3 SImulation Environments

• roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_empty_world.launch 打开一个空白的空间，里面只有一辆小车
• roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch 启动后，可以键入wasd来操作小车
• roslaunch turtlebot3_gazebo tuetlebot3_world.launch 里面有几根柱子和小车
• roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_house.launch 房间
• roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_gazebo_rviz.launch ros中很重要的可视化软件Rviz，关于turtlebot3有适配版本，可以可视化小车的激光雷达和摄像头
• roslaunch turtlebot3_slam turtlebot3_slam.launch slam_methods:=gmapping slam，可视化在Rviz上，slam的算法有很多，这里采用gmapping的方法

3.2. ROS Navigation Demo

• 这章展示了ROS Navigation的一个demo，首先打开house，然后roslaunch turtlebot3_navigation turtlebot3_navigation.launch map_file=...来打开Navigation，在Rviz中展示，标定好终点后，它会自动规划路径到达终点
• frame就是不同的参考系

3.3. 2D Frames, Transformations and Localization

3.4. 3D Frames, Transformations and Localization

3.5. Orientation in 3D Space

3.6. The TF Package: Frame, Transformation and Localization in ROS Explained

• TF是一个让用户随时间跟踪多个参考系的功能包，它使用一种树型数据结构，根据时间缓冲并维护多个参考系之间的坐标变换关系，可以帮助用户在任意时间，将点，向量等数据的坐标，在两个参考系中完成坐标变换:

• 机器人的模型用一个XML文件定义，使用URDF(unified robot description format)这个语言去描述机器人的Frame和Transformation。其中Frame连接在关节上，在URDF中用link表示，不同关节的相对位置用Transformation表示，可以在ROS wiki上了解更详细的信息
• TF package nodes(TF功能包提供了一些有用的ROS nodes):

• 可以通过订阅odom话题来获得odom的child frame:base_footprint的position和orientation，odom: topic represents a pose based on a odometry information
• rosrun tf2_tools view_frames来获得当前场景下的frames和transformation的总体情况，会在当前目录生成一个pdf文件
• robot相对于map的参考系叫做amcl_pose
• rosrun tf tf_echo frame1 frame2可以获得两个frame之间translation和rotation
• rosrun tf static_transform_publisher 1 2 3 0.1 0.2 0.3 frame_a frame_b 10可以在两个frame之间创造一个transformation
• 可以定义节点来广播frame_a到frame_b的transformation，也可以定义节点来收听frame_a到frame_b的transformation
• 总的来说，TF功能包能获得当前场景下的frame和transformation信息，同时也可以自定义frame之间的transformation

3.7. Map-based navigation

• robot navigation表示机器人自动避障的能力，有两种主要的导航方法，第一种方法是map-based navigation，预加载好地图的相关信息，另一种方法是reactive navigation，不会预加载地图的相关信息，只会利用传感器感知周围环境
• navigation可以分为三步，localization，mapping，path planning:

• mapping的主要方法是SLAM(simultaneous localization and mapping):

• navigation的主要功能包:

• turtlebot3 slam demo:

• 地图的表示方法: occupancy grid map，一张地图由网格状的cell组成，一个cell可以是empty或者occupied:

• gmapping是slam的一种方法，还有其他方法，比如cartographer，hector_slam:

• 通过激光雷达的数据判断哪些地方有障碍物
• SLAM生成的地图的质量由odometry和laser scanner决定，odometry就是里程计，衡量机器人从初始姿态到终点位姿的一个标准，如果要实现机器人的定位与导航，就需要知道机器人行进了多少距离，往哪个方向行进的
• 通过SLAM生成的地图可以保存下来，通过指令rosrun map_server map_saver -f ~/tb3_house_map来保存地图到指定路径
• 保存的地图由两个文件组成，.pgm和.yaml，其中.pgm就是一张地图的图片，灰色的区域表示未知的区域，黑色的区域表示障碍物，白色的区域表示自由区域，.yaml存储了地图的metadata，比如原点，地图图片的路径，阈值等
• 如何通过SLAM生成的地图对小车进行导航(Navigation):
  • 首先告诉小车自己在哪里，通过Rviz的2D pose estimation实现
  • 然后确定小车需要到达的终点
  • motion planner algorithm告诉小车如何到达终点

• Map-based navigation命令行: roslaunch turtlebot3_navigation turtlebot3_navigation.launch map_file:=...

• 通过程序实现map-based navigation，无需通过Rviz实现
• 为什么出现小车后退重新尝试的行为(recovery behavior):

• 如何让机器人支持ROS的Navigation模块

• Robot setup：
  • 安装ROS
  • 必须有tf transform
  • URDF
  • sensor information
  • odometry information
  • base controller
  • mapping

3.8. Navigation Stack Tuning

• 控制Navigation的最大速度/加速度和最小速度/加速度，可以通过更改local planner的yaml文件，对于turtlebot3而言，这个文件在turtlebot3_navigation/param里
• 如何获得小车的最大速度:

• 如何获得小车的最大加速度:

• Global Path Planner Tuning, 微调全局路径规划参数，全局路径规划需要考虑地图信息来找到一条没有障碍的路径

• ROS中有三个global planner：

• Carrot Planner的示意图:

• NAVFN 和 global_planner

• global_planner中可以调节的参数的例子:

• local path planner的相关知识，局部路径规划会在执行全局路径规划给出的路径的同时，通过传感器获得的局部信息来躲避动态的障碍。

• DWA algorithm(Dynamic Window Approach 属于local path planning的一种):
  • 离散地采样几种方向和速度
  • 对于每一种采样，都预测一下如何按照这种方式前进会发生什么
  • 对于每一种结果，使用一种评价标准进行打分
  • 选取最高评分的前进方法

• 微调DWA算法的参数，微调simulation time这一参数

• 不同DWA参数的影响

• 动手实现微调DWA的simulation time参数对navigation的影响(视频在notion上有)

Quehry

Student