ROS探索总结（十九）——如何配置机器人的导航功能

1、概述

ROS的二维导航功能包，简单来说，就是根据输入的里程计等传感器的信息流和机器人的全局位置，通过导航算法，计算得出安全可靠的机器人速度控制指令。但是，如何在特定的机器人上实现导航功能包的功能，却是一件较为复杂的工程。、机器人配置

导航功能包的结构如上图所示，在自己的机器人平台上实现自主导航，简单来说，就是按照上图将需要的功能按照需求完成即可。其中白色的部分是ROS功能包已经完成的部分，不需要我们去实现，灰色的是可选的部分，也由ROS完成，在使用中根据需求使用，需要关注的重点部分是蓝色部分，这些需要我们根据输入输出的要求完成相应的功能。

3.1、ROS

首先，请确保你的机器人安装了ROS框架。

3.2、tf变换(sensortransforms)

导航功能包要求机器人以tf树的形式发布各个相关参考系的变换关系。

3.3、传感器信息(sensor sources)

导航功能包需要采集机器人的传感器信息，以达到实时避障的效果。这些传感器要求能够通过ROS发布

sensor_msgs/LaserScan或者sensor_msgs/PointCloud 格式的消息，也就是二维雷达信息或者三维点云数据。ROS社区已经支持大部分激光雷达、Kinect等设备的驱动，可以直接使用社区提供的驱动功能包发布满足要求的传感器信息。如果你使用的传感器没有ROS支持，或者你想使用自己的驱动，也可以自己将传感器信息封装成要求的格式。

3.4、里程计信息(odometrysource)

导航功能包要求机器人发布nav_msgs/Odometry格式的里程计信息，同时在也要发布相应的tf变换。

3.5、机器人控制器（base_controller）

导航功能包最终的输出是针对机器人geometry_msgs/Twist格式的控制指令，这就要求机器人控制节点具备解析控制指令中速度、角度的能力，并且最终通过这些指令控制机器人完成相应的运动目标。

3.6、地图（map_server）

地图并不是导航功能所必需的。

4、导航功能包集的配置

在满足以上条件的前提下，我们来针对导航功能进行一些配置。

4.1、创建一个功能包

首先，我们需要创建一个功能包，用来存储导航需要用到的所有的配置文件和launch启动文件。在创建功能包的时候，我们需要添加相关的所有依赖，包括机器人配置中使用到的功能包，当然不要忘记了move_base功能包，因为该包有很多我们后面需要用到的接口。找到合适的位置，输入以下命令来创建包：

catkin_create_pkg my_robot_name_2dnav move_base my_tf_configuration_depmy_odom_configuration_dep my_sensor_configuration_dep

4.2、创建机器人启动文件

现在，我们已经有了一个存储各种文件的工作空间，下一步，我们来创建一个机器人启动文件，用来启动机器人配置中所提到的所有硬件，并发布相应的消息和变换关系。

打开编辑器，输入以下格式的内容，并保存为my_robot_configuration.launch命名的文件：

<launch>
  <nodepkg="sensor_node_pkg" type="sensor_node_type"name="sensor_node_name" output="screen">
    <paramname="sensor_param" value="param_value" />
 </node>

  <nodepkg="odom_node_pkg" type="odom_node_type"name="odom_node" output="screen">
    <paramname="odom_param" value="param_value" />
 </node>

  <nodepkg="transform_configuration_pkg"type="transform_configuration_type"name="transform_configuration_name" output="screen">
    <paramname="transform_configuration_param" value="param_value"/>
 </node>
</launch>

让我们来详细的解读以上内容的含义：

<launch>
  <nodepkg="sensor_node_pkg" type="sensor_node_type"name="sensor_node_name" output="screen">
    <paramname="sensor_param" value="param_value" />

这部分代码用来启动机器人的传感器，根据以上格式，修改你所使用到的传感器驱动包名称、类型、命名等信息，并且添加驱动包节点需要使用到的参数。当然，如果你需要使用多个传感器，可以使用相同的方法，启动多个传感器的驱动节点。

<node pkg="odom_node_pkg"type="odom_node_type" name="odom_node"output="screen">
    <paramname="odom_param" value="param_value" />
 </node>

这部分代码用来启动机器人上的里程计，根据需要修改功能包名、类型、节点名、参数。

 <nodepkg="transform_configuration_pkg"type="transform_configuration_type"name="transform_configuration_name" output="screen">
    <paramname="transform_configuration_param" value="param_value"/>
 </node>

这部分代码需要启动机器人相关的坐标变换。

4.3、代价地图的配置 (local_costmap)& (global_costmap)

导航功能包使用两种代价地图存储周围环境中的障碍信息，一种用于全局路径规划，一种用于本地路径规划和实时避障。两种代价地图需要使用一些共同和独立的配置文件：通用配置文件，全局规划配置文件，本地规划配置文件。以下将详细讲解这三种配置文件：

（1）通用配置文件（Common Configuration (local_costmap) &(global_costmap)）

代价地图用来存储周围环境的障碍信息，其中需要注明地图关注的机器人传感器消息，以便于地图信息进行更行。针对两种代价地图通用的配置选项，创建名为costmap_common_params.yaml的配置文件：

obstacle_range: 2.5
raytrace_range: 3.0
footprint: [[x0, y0], [x1, y1], ... [xn, yn]]
#robot_radius: ir_of_robot
inflation_radius: 0.55

observation_sources: laser_scan_sensor point_cloud_sensor

laser_scan_sensor: {sensor_frame: frame_name, data_type: LaserScan, topic: topic_name, marking: true, clearing: true}

point_cloud_sensor: {sensor_frame: frame_name, data_type: PointCloud, topic: topic_name, marking: true, clearing: true}

详细解析以上配置文件的内容：

obstacle_range: 2.5
raytrace_range: 3.0

米范围内，机器人将根据传感器的信息，清除范围内的自由空间。

footprint: [[x0, y0], [x1, y1], ... [xn, yn]]
#robot_radius: ir_of_robot
inflation_radius: 0.55

）全局规划配置文件（Global Configuration (global_costmap)）

全局规划配置文件用来存储用于全局代价地图的配置参数，我们使用global_costmap_params.yaml来命名，内容如下：

global_costmap:
 global_frame: /map
 robot_base_frame: base_link
 update_frequency: 5.0
  static_map:true

）本地规划配置文件（Local Configuration (local_costmap)）

本地规划配置文件用来存储用于本地代价地图的配置参数，命名为local_costmap_params.yaml，内容如下：

local_costmap:
 global_frame: odom
 robot_base_frame: base_link
 update_frequency: 5.0
 publish_frequency: 2.0
  static_map:false
 rolling_window: true
  width: 6.0
  height: 6.0
  resolution:0.05

"global_frame", "robot_base_frame","update_frequency", 和 "static_map"参数的意义与全局规划配置文件中的参数相同。publish_frequency设置代价地图发布可视化信息的频率，单位是Hz。rolling_window参数是用来设置在机器人移动过程中是否需要滚动窗口，以保持机器人处于中心位置。"width," "height," 和"resolution" 设置设置代价地图长（米）、高（米）和分辨率（米/格）。分辨率可以设置的与静态地图不同，但是一般情况下两者是相同的。

4.4 本地规划器配置

本地规划器base_local_planner的主要作用是根据规划的全局路径，计算发布给机器人的速度指令。该规划器需要我们根据机器人的规格，配置一些相应的参数。我们创建名为base_local_planner_params.yaml的配置文件：

TrajectoryPlannerROS:
  max_vel_x: 0.45
  min_vel_x: 0.1
  max_vel_theta: 1.0
  min_in_place_vel_theta: 0.4

  acc_lim_theta: 3.2
  acc_lim_x: 2.5
  acc_lim_y: 2.5

  holonomic_robot: true

该配置文件声明了机器人的本地规划采用Trajectory Rollout算法。第一段设置了机器人的速度阈值，第二段设置了机器人的加速度阈值。

4.5 为导航功能包创建一个启动文件

到此为止，我们已经创建完毕所有需要用到的配置文件，接下来我们需要创建一个启动文件，来启动所有需要的功能。创建move_base.launch的文件：

<launch>
  <masterauto="start"/>

  <!-- Runthe map server -->
  <nodename="map_server" pkg="map_server"type="map_server" args="$(find my_map_package)/my_map.pgm my_map_resolution"/>

  <!---Run AMCL -->
  <includefile="$(find amcl)/examples/amcl_omni.launch" />

  <nodepkg="move_base" type="move_base" respawn="false"name="move_base" output="screen">
   <rosparam file="$(find my_robot_name_2dnav)/costmap_common_params.yaml"command="load" ns="global_costmap" />
   <rosparam file="$(findmy_robot_name_2dnav)/costmap_common_params.yaml" command="load"ns="local_costmap" />
   <rosparam file="$(findmy_robot_name_2dnav)/local_costmap_params.yaml" command="load" />
   <rosparam file="$(findmy_robot_name_2dnav)/global_costmap_params.yaml" command="load"/>
   <rosparam file="$(findmy_robot_name_2dnav)/base_local_planner_params.yaml"command="load" />
 </node>
</launch>

、运行导航功能包

现在，我们已经完成了所有需要的工作，最后一步，运行启动文件，开始导航之旅：

roslaunch my_robot_configuration.launch
roslaunch move_base.launch

现在导航功能包应该已经可以顺利运行了，但这绝对不是结束，因为你只能从终端里看到一端乱蹦的代码，如何使用更友好的方式进行机器人导航呢？如果你想使用UI界面，请参考rviz and navigationtutorial，如果你想使用代码，请参考Sending SimpleNavigation Goals 。

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