最近幾年各種移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始涌現(xiàn)出來(lái)，不論是輪式的還是履帶式的，如何讓移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)都是最核心的工作。要讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、機(jī)械臂控制、導(dǎo)航規(guī)劃等一系列功能，就需要操作系統(tǒng)的支持，而ROS就是最重要的軟件平臺(tái)之一，它在科研領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。

　　不過(guò)有關(guān)ROS的書(shū)籍并不多，國(guó)內(nèi)可供的學(xué)習(xí)社區(qū)就更少了。本文就帶大家了解一下如何利用ROS來(lái)設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人。

　　移動(dòng)機(jī)器人的三個(gè)部分

　　所謂的智能移動(dòng)， 是指機(jī)器人能根據(jù)周?chē)沫h(huán)境變化，自主地規(guī)劃路線、避障，到達(dá)目標(biāo)地。

　　機(jī)器人是模擬人的各種行為，想象一下，人走動(dòng)需要哪些器官的配合？ 首先用眼睛觀察周?chē)h(huán)境，然后用腦去分析如何走才能到達(dá)目標(biāo)地，接著用腿走過(guò)去， 周而復(fù)始，直到到達(dá)目標(biāo)地址為至。機(jī)器人如果要實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)，也需要眼、腦和腿這三部分的緊密配合。

　　腿

　　“腿”是機(jī)器人移動(dòng)的基礎(chǔ)。機(jī)器人的“腿”不局限于類(lèi)人或類(lèi)動(dòng)物的腿，也可以是輪子、履帶等，能讓機(jī)器人移動(dòng)起來(lái)的部件，都可以籠統(tǒng)地稱(chēng)為“腿”。

　　類(lèi)人的腿式優(yōu)點(diǎn)是：既可以在復(fù)雜路況（比如爬樓梯）下移動(dòng)、也可以更形象地模仿人的動(dòng)作（比如跳舞），缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)和控制單元比較復(fù)雜、造價(jià)高、移動(dòng)慢等。

　　所以大部分移動(dòng)的機(jī)器人都是輪式機(jī)器人，其優(yōu)勢(shì)在于輪子設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、移動(dòng)快。而輪式的也分為多種： 兩輪平衡車(chē)、三輪、四輪和多輪等等。目前最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的是兩個(gè)主動(dòng)輪+一個(gè)萬(wàn)向輪。

　　眼睛

　　機(jī)器人的眼睛其實(shí)就是一個(gè)傳感器。它的作用是觀察周?chē)沫h(huán)境，適合做機(jī)器人眼睛的有激光雷達(dá)、視覺(jué)（深度相機(jī)、單雙相機(jī)）、輔助（超聲波測(cè)距、紅外測(cè)距）等。

　　“腦”

　　機(jī)器人的大腦就負(fù)責(zé)接收“眼睛”傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出路線，指揮腿去移動(dòng)。 其實(shí)就是要把看到的東西轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)語(yǔ)言。針對(duì)如何描述數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)處理邏輯等一系列問(wèn)題。 ROS系統(tǒng)給我們提供一個(gè)很好的開(kāi)發(fā)框架。

　　ROS簡(jiǎn)介

　　ROS是建立在linux之上的操作系統(tǒng)。它的前身是斯坦福人工智能實(shí)驗(yàn)室為了支持斯坦福智能機(jī)器人而建立項(xiàng)目，主要可以提供一些標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)，例如硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用功能實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理。

　　ROS是基于一種圖狀架構(gòu)，從而不同節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程能接受、發(fā)布、聚合各種信息（例如傳感，控制，狀態(tài)，規(guī)劃等等）。目前ROS主要支持Ubuntu操作系統(tǒng)。

　　有人問(wèn)ROS能否裝到虛擬機(jī)里，一般來(lái)說(shuō)是可以的，但是我們建議裝個(gè)雙系統(tǒng)，用Ubuntu專(zhuān)門(mén)跑ROS。

　　實(shí)際上，ROS可以分成兩層，低層是上面描述的操作系統(tǒng)層，高層則是廣大用戶(hù)群貢獻(xiàn)的實(shí)現(xiàn)不同功能的各種軟件包，例如定位繪圖，行動(dòng)規(guī)劃，感知，模擬等等。ROS（低層）使用BSD許可證，所有是開(kāi)源軟件，并能免費(fèi)用于研究和商業(yè)用途，而高層的用戶(hù)提供的包則使用很多種不同的許可證。

　　用ROS實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)

　　對(duì)于二維空間，使用線速度 + 角速度可以實(shí)現(xiàn)輪式機(jī)器的隨意移動(dòng)。

　　線些速度：描述機(jī)器人前后移動(dòng)的速度大小

　　角速度：描述機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度大小

　　所以控制機(jī)器人移動(dòng)主要是要把線速度角速度轉(zhuǎn)換為左右輪的速度大小，然后，通過(guò)輪子直徑和輪間距，可以把線速度和角速度轉(zhuǎn)化為左輪和右輪的速度大小。

　　這里有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是編碼器的選擇和pid的調(diào)速。

　　編碼器的選擇：一般編碼器和輪子是在一個(gè)軸上，目前來(lái)說(shuō)，速度在0.7m/s以下的話，編碼器選600鍵到1200鍵之間都o(jì)k。不過(guò)需要注意的是，編碼器最好用雙線的，A、B兩線輸出，A向和B向輸出相差90度，這樣可以防抖動(dòng)。防抖動(dòng)就是可以在之后里程計(jì)算時(shí)可以更準(zhǔn)確。

　　左輪和右輪的速度大小的控制，通過(guò)輪子編碼器反饋，通過(guò)PID實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的PMW來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)計(jì)算出小車(chē)的里程計(jì)（odom），得到小車(chē)移動(dòng)位置的變化。

　　計(jì)算車(chē)的位置變化是通過(guò)編碼器來(lái)計(jì)算的，如果輪子打滑等情況，那么計(jì)算的變化和實(shí)際的變化可能不同。要解決這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)是看哪個(gè)問(wèn)題更嚴(yán)重。要走5米只走了4.9米重要，還是要走180度只走了179度重要。

　　其實(shí)角度的不精確對(duì)小車(chē)的影響更大。一般來(lái)說(shuō)，小車(chē)的直線距離精確度可以控制在厘米范圍內(nèi)，在角度方面可以控制精準(zhǔn)度在1%~2%。因?yàn)榻嵌仁潜容^重要的參數(shù)，所以很多人就用陀螺儀來(lái)進(jìn)行矯正。

　　所以有時(shí)候大家問(wèn)小車(chē)精度有多高？其實(shí)現(xiàn)在這樣已經(jīng)精度比較高了，難免打滑等問(wèn)題，不可能做到百分之百的精準(zhǔn)。

　　小車(chē)在距離和角度方面做到現(xiàn)在這樣對(duì)于自建地圖導(dǎo)航已經(jīng)是可以接受的，要提高更高的精度可能就要其他設(shè)備輔助，比如激光雷達(dá)來(lái)進(jìn)行輔助，激光雷達(dá)可以進(jìn)行二次檢測(cè)進(jìn)行糾正。

　　激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式，它首先會(huì)有一個(gè)大小范圍，如果超出范圍是無(wú)效的。還有就是有幾個(gè)采樣點(diǎn)，這樣就可以激光雷達(dá)可以告訴你隔多少度有一個(gè)采樣點(diǎn)。

　　另外最后那個(gè)Intensities是告訴大家數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，因?yàn)榧す饫走_(dá)也是取最高點(diǎn)的數(shù)據(jù)，是有一定的準(zhǔn)確率的。上面的ppt其實(shí)就是用激光雷達(dá)掃了一個(gè)墻的形狀。

　　激光雷達(dá)掃出一個(gè)靜態(tài)形狀其實(shí)沒(méi)有意義，雷達(dá)建圖的意義其實(shí)在于建立房間的地圖。

　　如何繪制地圖？

　　第一步是收集眼睛數(shù)據(jù)：

　　針對(duì)激光雷達(dá)，ROS在sensor_msgs 包中定義了專(zhuān)用了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)激光消息的相關(guān)信息，成為L(zhǎng)aserScan。

　　它指定了激光的有效范圍、掃描點(diǎn)采樣的角度及每個(gè)角度的測(cè)量值。激光雷達(dá)360度實(shí)時(shí)掃描，能實(shí)時(shí)測(cè)出障礙物的距離、形狀和實(shí)時(shí)變化。

　　第二步就是把眼睛看到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地圖：

　　ROS的gmapping把激光雷達(dá)的/scan數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格map數(shù)據(jù)，其中黑色代表障礙物、白色代表空白區(qū)域，可以順利通行、灰色 ：未知領(lǐng)域。隨著機(jī)器人的移動(dòng)，激光雷達(dá)可以在多個(gè)不同方位觀測(cè)同一個(gè)位置是否有障礙物，如果存在障礙物的閾值超過(guò)設(shè)置值是，就標(biāo)定此處是存在障礙物；否則標(biāo)定不存在障礙物。 把障礙物、空白區(qū)域和未知領(lǐng)域的尺寸用不同灰度表示出來(lái)，就是柵格地圖。便于下一步定位和導(dǎo)航。

　　有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)很直的墻，機(jī)器人卻無(wú)法直著行走，這時(shí)的問(wèn)題可能就是機(jī)器人的輪子出現(xiàn)打滑等其他問(wèn)題，而走歪了，這時(shí)繪制出的地圖也可能是歪的。這種情況可以通過(guò)加一個(gè)陀螺儀來(lái)避免這個(gè)情況。因?yàn)榧す饫走_(dá)的特性，有時(shí)候遇到黑色或鏡面會(huì)導(dǎo)致測(cè)距不準(zhǔn)。

　　目前的解決方法就是不用激光雷達(dá)，或者用激光雷達(dá)和超聲波進(jìn)行輔助處理。

　　ROS的地圖是分多層的，我可以在不同高度放多臺(tái)激光雷達(dá)來(lái)一起疊加，共同繪制一張地圖。地圖繪制結(jié)束之后，就可以進(jìn)行定位和導(dǎo)航等工作。

　　如何定位和導(dǎo)航？

　　定位：其實(shí)是概率性的定位，而不是100%的精度。根據(jù)激光雷達(dá)掃描周?chē)系K物的形狀，與地圖的形狀做匹配，判斷機(jī)器人所在位置的概率。

　　機(jī)器人的定位是否成功，與地圖特征有很大關(guān)系，如果區(qū)域特征明顯，那么機(jī)器人就很容易判斷自己的位置。如果出現(xiàn)難以定位的問(wèn)題，可能需要人給指定初始位置，或者加led來(lái)進(jìn)行位置識(shí)別，或者其他的定位設(shè)備來(lái)協(xié)助定位。

　　目前的視覺(jué)通過(guò)色彩或者光的技術(shù)越來(lái)越多。

　　導(dǎo)航：全局路徑規(guī)劃+局部調(diào)整（動(dòng)態(tài)避障）

　　導(dǎo)航其實(shí)就是全局定位，首先根據(jù)現(xiàn)有地圖進(jìn)行規(guī)劃，但是在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)進(jìn)行局部的路線規(guī)劃。但是總體還是根據(jù)全局路徑來(lái)走。

　　導(dǎo)航中工作量還很大，比如掃地機(jī)的路徑規(guī)劃和服務(wù)機(jī)器人的路徑規(guī)劃是不一樣的，掃地機(jī)器人可能要全覆蓋的有墻角的地圖，而服務(wù)機(jī)器人主要圍繞指定的路徑或者最短路徑來(lái)進(jìn)行規(guī)劃，這部分是ROS工作量最大的一塊。

　　路徑規(guī)劃根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景變化比較大，但是ROS提供基礎(chǔ)的路徑規(guī)劃的開(kāi)發(fā)包，在這個(gè)基礎(chǔ)上我們會(huì)做自己的路徑規(guī)劃。

　　機(jī)器人描述和坐標(biāo)系變換

　　在導(dǎo)航時(shí)，哪些區(qū)域可以通過(guò)，取決于機(jī)器人形狀等信息，ROS通過(guò)URDF（UnifiedRobot Description Format） 就是描述機(jī)器人硬件尺寸布局，比如輪子的位置、底盤(pán)大小、激光雷達(dá)安裝位置，這些都會(huì)影響到坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

　　坐標(biāo)系遵循的前提是每個(gè)幀只能有一個(gè)父幀，再往上進(jìn)行一些眼神或者關(guān)聯(lián)。

　　激光雷達(dá)的安裝位置直接影響/scan輸出數(shù)據(jù)。所以激光雷達(dá)和機(jī)器人的相對(duì)位置是需要做坐標(biāo)變換，才能把激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人視角的數(shù)據(jù)。

　　ROS的坐標(biāo)系，最終歸結(jié)為三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)框架，可以簡(jiǎn)化許多常見(jiàn)的機(jī)器人問(wèn)題：

　　1）全局準(zhǔn)確，但局部不連續(xù)的幀（’map”）

　　2）全局不準(zhǔn)確，但局部光滑框架（’odom”）

　　3）機(jī)器人自身框架（’base_link”）

　　多種傳感器（像激光雷達(dá)、深度攝像頭和陀螺儀加速度計(jì)等）都可以計(jì)算base_link和odom的坐標(biāo)關(guān)系，但由于“每個(gè)幀只能有一個(gè)父幀”，所以只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)（比如 robot_pose_ekf 融合多傳感器）發(fā)布base_link和odom的坐標(biāo)關(guān)系。

　　Base link自身的坐標(biāo)系，因?yàn)椴煌b在機(jī)器人上不同位置，都要對(duì)應(yīng)到base link的坐標(biāo)系中，因?yàn)樗械膫鞲衅鞫际且ㄟ^(guò)機(jī)器人的視角來(lái)“看”。

　　有些朋友問(wèn)我，激光雷達(dá)在建地圖的時(shí)候，小車(chē)移動(dòng)后地圖就亂了，這是因?yàn)樾≤?chē)的底盤(pán)坐標(biāo)系和激光雷達(dá)的坐標(biāo)系沒(méi)有標(biāo)定準(zhǔn)確。

　　map和odom之間的關(guān)聯(lián)

　　因?yàn)樾≤?chē)移動(dòng)需要一個(gè)局部聯(lián)系，比如小車(chē)在向前走，不停的累加，這是里程計(jì)的作用，map起到全局的、不連續(xù)的作用，經(jīng)過(guò)激光雷達(dá)和map對(duì)應(yīng)。

　　如果要學(xué)習(xí)ROS的話，坐標(biāo)系的變化是重要的點(diǎn)。坐標(biāo)系的變換還有一個(gè)點(diǎn)，就是每個(gè)幀都只有一個(gè)父幀，有時(shí)候兩個(gè)坐標(biāo)都和它有關(guān)聯(lián)的話，就是A和B關(guān)聯(lián)，B再和C關(guān)聯(lián)，而不是B/C都和A關(guān)聯(lián)。

　　三個(gè)坐標(biāo)幀的父子關(guān)系如下：

　　map –》 odom –》 base_link

　　其實(shí)， map和odom都應(yīng)該和base_link關(guān)聯(lián)，但為了遵守“每個(gè)幀只能有一個(gè)父幀”的原則，根據(jù)map和base_link 以及 odom-》base_link的關(guān)系，計(jì)算出map與odom的坐標(biāo)關(guān)系并發(fā)布。

　　odom-》base_link的坐標(biāo)關(guān)系是由里程計(jì)節(jié)點(diǎn)計(jì)算并發(fā)布的。

　　map -》 base_link的坐標(biāo)關(guān)系是由定位節(jié)點(diǎn)計(jì)算出來(lái)，但并不發(fā)布，而是利用接收odom-》base_link的坐標(biāo)關(guān)系，計(jì)算出map-》odom的坐標(biāo)關(guān)系，然后發(fā)布。 只有里程計(jì)的時(shí)候，沒(méi)有激光雷達(dá)，也可以跑，但是要先根據(jù)預(yù)設(shè)地圖進(jìn)行簡(jiǎn)單避障。