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《ROS機器人編程》第十章_移動機器人

2023-06-27 11:33 作者:京天博特 0人讀過 | 我要投稿

更新！整理出《ROS機器人編程》第十章ppt講義版，請對照書籍P278-311頁學(xué)習(xí)。

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【說明】ROS支持的機器人可以在相關(guān)wiki(http://robots.ros.org/)上找到。有大約180 種。其中一些包括由個人開發(fā)者公開發(fā)布的自制機器人，但是如果考慮到這是由單一系統(tǒng)支持的機器人的話，卻是不少的數(shù)量。

其中最著名的是Willow garage開發(fā)的PR2和 TurtleBot。兩者都是Willow garage或Open Robotics(前稱OSRF)參與開發(fā)的機器人，也是ROS的標(biāo)準(zhǔn)平臺。在本章中，我們將重點討論這兩者中以普及型為目的開發(fā)的 TurtleBot3機器人。

【說明】TurtleBot是ROS的標(biāo)準(zhǔn)平臺機器人。這里的turtle來源于1967年開發(fā)的烏龜機器人。這款機器人是為了用教育計算機編程語言Logo控制實際機器人而開發(fā)的。另外，在 ROS基礎(chǔ)教程中首先出現(xiàn)的turtlesim節(jié)點是一個模仿Logo turtle程序的命令體系而制作的程序。如圖所示，烏龜圖標(biāo)甚至成為了ROS的象征。不僅如此，ROS標(biāo)志中使用的9個點也來自龜背殼。源于Logo的烏龜?shù)腡urtlebot，旨在通過TurtleBot向ROS新手輕松教授ROS的用法(這與Logo的目的類似，Logo的目的是利用Logo語言輕松教授計算機編程語言)。從第一代TurtleBot開始，近10年來，TurtleBot已經(jīng)成為開發(fā)者和學(xué)生使用最多的ROS標(biāo)準(zhǔn)平臺。購買Turtlebot請咨詢：027-87522899，027-87522877

【說明】為了普及ROS，以iRobot公司的基于Roombar的研究機器人Create為基礎(chǔ)而開發(fā)。它于2010年開發(fā)，自2011年起開始銷售。然后在2012年，Yujin Robot公司開發(fā)出了以基于 iCLEBO的研究機器人Kobuki為基礎(chǔ)的TurtleBot2。在2017年開發(fā)的TurtleBot3彌補了TurtleBot1和TurtleBot2中的不足點，且采納了用戶們的新的需求。TurtleBot3的驅(qū)動部分采用了ROBOTIS公司的智能舵機Dynamixel。

【說明】TurtleBot3是一個小型、低成本、可編程的基于ROS的移動機器人，其目的是用于教育、科研、愛好者作品和產(chǎn)品原型。TurtleBot3的目標(biāo)是在不犧牲功能和品質(zhì)的前提下大幅縮小平臺的尺寸且降低價格，同時將機器人組件根據(jù)用戶的需求更改或擴展。根據(jù)用戶如何選擇部件，如機械部件、計算機和傳感器，TurtleBot3可以通過各種方法進(jìn)行定制。此外，TurtleBot3采用了比現(xiàn)有的PC更經(jīng)濟、更小巧，并且適合嵌入式系統(tǒng)的SBC(單板計算機)，還應(yīng)用了距離傳感器和3D打印等最新技術(shù)。

【說明】TurtleBot3的基本組件有:用于驅(qū)動的舵機、用于運行ROS的SBC、用于SLAM和導(dǎo)航(Navigation)的傳感器、可變形的結(jié)構(gòu)件、用作中層控制器的嵌入式控制器 OpenCR、兼容輪胎和履帶的鏈輪，最后還有11.1V的鋰聚合物電池。

【說明】Waffle-PI型號的特點是:其形狀更易于裝載物體、采用扭矩更大的舵機、使用360度距離傳感器LDS(Laser Distance Sensor)，Waffle Pi的單板機采用了與Burger相同的Raspberry Pi，并且相機采用了Raspberry Pi Camera，因此大大提高了性價比。

【說明】此外，TurtleBot的所有硬件結(jié)構(gòu)信息都已在云共享三維CAD Onshape中公開， Onshape可供多人同時使用智能手機、平板電腦以及網(wǎng)頁瀏覽器查看。您可以在網(wǎng)頁瀏覽器中查看TurtleBot3的每個組件，也可以把想修改的零件下載到您的資源庫，通過修改設(shè)計出自己想要的零件。也可以下載相關(guān)的STL文件后，用3D打印機打出零件。每個型號的公開文件可以在TurtleBot3的官方wiki的附錄提供的Open Source項目中找到。

【說明】TurtleBot3的軟件由OpenCR控制板的固件(FW)和4個ROS功能包組成。正如在第 9章嵌入式系統(tǒng)中的說明，作為TurtleBot3的核心，OpenCR的固件還被稱為turtlebot3_ core。固件將OpenCR作為中間控制器，讀取TurtleBot3的驅(qū)動舵機Dynamixel的編碼器值來估算機器人的位置，或者根據(jù)上位軟件的命令來控制速度。另外，固件還從安裝在 OpenCR上的3軸加速度和3軸陀螺儀傳感器獲得加速度和角加速度，以此估計機器人的方向，此外還測量電池電壓并將其以話題傳輸。

TurtleBot3的ROS功能包包括turtlebot3、turtlebot3_msgs、turtlebot3_simulations 和turtlebot3_applications。其中，turtlebot3功能包包括TurtleBot3的機器人模型、 SLAM和導(dǎo)航功能包、遙控功能包以及與行駛相關(guān)的bringup功能包。另外，TurtleBot3的消息文件的集合turtlebot3_msgs、仿真功能包的集合turtlebot3_simulations以及應(yīng)用程序的集合turtlebot3_applications構(gòu)成了TurtleBot3的ROS功能包。

【說明】如圖所示，TurtleBot3的開發(fā)環(huán)境可以分為遠(yuǎn)程PC(運行遠(yuǎn)程控制、SLAM和導(dǎo)航功能包)和TurtleBot PC(控制實際機器人且搜集傳感器信息)。這兩種PC在開發(fā)環(huán)境上都非常相似，但是它們使用的功能包根據(jù)PC的性能和用途進(jìn)行了不同的配置。為了搭建一個基本的開發(fā)環(huán)境，兩臺PC都要安裝Linux(Ubuntu 16.04兼容的Linux Mint和 Ubuntu MATE)作為基本操作系統(tǒng)，且ROS安裝Kinetic Kame版本即可。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱第3章“搭建ROS開發(fā)環(huán)境”。有關(guān)PC、TurtleBot和OpenCR的信息，請參閱以下地址。

■?http://turtlebot3.robotis.com

如果已經(jīng)安裝了Linux和ROS，則可以安裝與TurtleBot3相關(guān)的軟件。所有這些安裝方法都在上面提到的維基地址中描述，但是這里我們簡單地總結(jié)一下，只解釋一下安裝方法。在控制TurtleBot3機器人的用戶PC(在這里我們稱為遠(yuǎn)程PC)上，如下所示安裝相關(guān)的依賴包和TurtleBot3功能包。但是，我們已經(jīng)排除了包含本書中沒有提到的多種示例的turtlebot3_applications功能包。

【說明】如果已經(jīng)安裝了所有軟件，則下一個最重要的配置是如圖所示的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。有關(guān)如何更改ROS_HOSTNAME和ROS_MASTER_URI設(shè)置的詳細(xì)說明，請參閱第3.2節(jié)和第 8.3節(jié)，本節(jié)中只了解設(shè)置的順序。作為參考，TurtleBot3將用戶的個人臺式機和筆記本電腦稱為遠(yuǎn)程PC，這臺PC將擔(dān)任運行roscore的主節(jié)點，會負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制、SLAM、導(dǎo)航等上層控制。與此PC配對的TurtleBot3配備了SBC，負(fù)責(zé)機器人行駛和傳感器信息采集。以下遠(yuǎn)程控制設(shè)置示例是在遠(yuǎn)程PC上運行ROS Master時的示例。

【說明】讓我們來看一看Turtlebot的遠(yuǎn)程控制。幾乎所有可連接到PC的設(shè)備，如鍵盤、藍(lán)牙遙控器RC-100B、PS3游戲桿、XBOX 360游戲桿、Wii遙控器、Nunchuk、Android應(yīng)用程序、LEAP Motion，和Myo等都可以用于遠(yuǎn)程遙控TurtleBot3。更多信息可以在 “http://turtlebot3.robotis.com/”的teleoperation項目中查看。在本節(jié)中，我們將以最易于使用的鍵盤和通常用于機器人控制的PS3操縱桿進(jìn)行說明。

【說明】我們將利用RViz來可視化機器人的狀態(tài)。為了確定要使用的模型，先使用export命令將當(dāng)前的TurtleBot3的型號指定為Burger。如果是Waffle Pi，您可以將其指定為’waffle_pi’，而不是’burger’。然后運行turtlebot3_model. launch啟動文件，則RViz將會被運行。

如圖所示，當(dāng)RViz被運行時，TurtleBot3 Burger的模型和各關(guān)節(jié)的tf會以RGB 坐標(biāo)系的形式顯示在畫面中央。而且，可以看到安裝在機器人上的360度距離傳感器LDS 接收距離值，并將障礙物顯示為紅色。

如上面所述，對TurtleBot3的控制需要在遠(yuǎn)程PC和TurtleBot3 SBC的計算機上來回操作，是比較麻煩的方式。為了解決這個問題，我想建議一種使用SSH來遠(yuǎn)程訪問 TurtleBot3 SBC的方法。這使您可以在遠(yuǎn)程PC上執(zhí)行所有的命令。從遠(yuǎn)程PC遠(yuǎn)程連接到 TurtleBot3 SBC的操作如下。有關(guān)更多信息，請參閱有關(guān)SSH的說明。

【說明】TurtleBot3提供虛擬仿真開發(fā)環(huán)境，即使沒有機器人硬件，也可以通過仿真軟件里的虛擬機器人進(jìn)行編程和仿真。有兩種方法可以做到這一點，一種是使用ROS的3D可視化工具RViz，另一種是使用3D機器人仿真器Gazebo。

在本節(jié)中，我們將了解第一個方法RViz的用法。即使您沒有TurtleBot3的硬件，您也可以遙控TurtleBot3，還可以測試SLAM和導(dǎo)航，因此是非常有用的方法。具體方法是使用turtlebot3_simulations元功能包。要在這個元功能包中使用虛擬仿真，首先需要安裝 turtlebot3_fake功能包。這在“10.5. TurtleBot3開發(fā)環(huán)境”中做了說明。如果已經(jīng)安裝了它，請轉(zhuǎn)到下面的內(nèi)容。

【說明】現(xiàn)在，讓我們再次使用turtlebot3_teleop_keyboard節(jié)點移動虛擬TurtleBot3。如圖所示，與之前不同，可以看到紅色箭頭會沿著機器人的移動軌跡顯示。這個測位 (odometry)信息對于移動機器人來說是表示自身位置和方向的非常基本的信息。至此，我們簡單查看了測位(odometry)信息是否正確顯示。

TF話題包含TurtleBot3組件的相對坐標(biāo)信息，它可以像之前的操作一樣用rostopic命令確認(rèn)，但是我們下面將用RViz進(jìn)行確認(rèn)，就像查看odom的方式一樣。并用rqt_tf_tree 檢查層次結(jié)構(gòu)。