機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）課件10.3Hector四旋翼無(wú)人機(jī)仿真

機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）Hector四旋翼無(wú)人機(jī)仿真10.3機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3Hector四旋翼無(wú)人機(jī)仿真四旋翼無(wú)人機(jī)是一種非共軸式碟形飛行器，在平面上呈十字對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)并均勻分布有4個(gè)旋翼。通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力來(lái)控制6個(gè)自由度方向的動(dòng)作。它除了具有一般無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，如不懼傷亡、制造成本低廉、隱蔽性好、操作靈活等，還具有多旋翼無(wú)人機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：（1）能夠在狹小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)垂直升降、定點(diǎn)懸停、低速飛行、旋轉(zhuǎn)、側(cè)飛及倒飛等，機(jī)動(dòng)靈活，可控性較強(qiáng)；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸方便，且易于維護(hù)；（3）四個(gè)旋翼同時(shí)旋轉(zhuǎn)提供升力，相對(duì)一般無(wú)人機(jī)，可以使用較小的旋翼和較低的轉(zhuǎn)速，安全性提高。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.1四旋翼無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介四旋翼無(wú)人機(jī)是無(wú)人飛行器（UAV）的一種，其旋翼對(duì)稱(chēng)分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱(chēng)的安裝在飛行器的支架端，支架中間部分安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖所示。四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)形式四旋翼飛行器通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，有四個(gè)輸入力，同時(shí)有六個(gè)狀態(tài)輸出。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.1四旋翼無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介如圖所示，無(wú)人機(jī)繞三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度分別由滾轉(zhuǎn)角（roll）、俯仰角（pitch）和偏航角（yaw）表示。滾轉(zhuǎn)角是飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面與通過(guò)飛機(jī)機(jī)體縱軸的鉛垂平面間的夾角，右滾為正。俯仰角是機(jī)體軸與地平面（水平面）之間的夾角，飛機(jī)抬頭為正。偏航角是機(jī)體軸在水平面上的投影與地軸之間的夾角，以機(jī)頭右偏為正。飛機(jī)滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.2Hector四旋翼無(wú)人機(jī)仿真本實(shí)驗(yàn)采用的是塔姆斯塔特工業(yè)大學(xué)的HectorDarmstadt團(tuán)隊(duì)開(kāi)源的hector仿真旋翼UAV項(xiàng)目，其開(kāi)源代碼網(wǎng)站為：/tu-darmstadt-ros-pkg/hector_quadrotor。該功能包包含了UAV的URDF描述建模、飛行控制及在Gazebo中運(yùn)行四旋翼無(wú)人機(jī)的啟動(dòng)文件等。https://www.teamhector.de/open-source機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.2Hector四旋翼無(wú)人機(jī)仿真hector_quadrotorhector_quadrotor_description包含了基礎(chǔ)四旋翼及搭載各種傳感器的urdf文件；hector_quadrotor_gazebo包含了四旋翼在gazebo仿真中的驅(qū)動(dòng)、插件；hector_quadrotor_teleop包含了四旋翼遙控器接口文件；hector_quadrotor_gazebo_plugins包含了gazebo仿真中氣動(dòng)、推力、控制等模擬文件；hector_quadrotor_demo包含了官網(wǎng)例程的啟動(dòng)文件；hector_quadrotor_actions包含了支持的action(起飛、降落、航點(diǎn))文件；hector_quadrotor_controller_gazebo包含了gazebo仿真中的控制器接口插件；hector_quadrotor_controllers包含了姿態(tài)、位置、速度控制器文件；hector_quadrotor_interface包含了四旋翼的接口文件；hector_quadrotor_model包含了四旋翼的動(dòng)力學(xué)模型文件；hector_quadrotor_pose_estimation包含了四旋翼的位姿解算文件；hector_uav_msgs包含了四旋翼的消息、動(dòng)作、服務(wù)匯總；hector_quadrotor包含了hector_quadrotor功能包的管理文件；整個(gè)tu-darmstadt-ros-pkg功能包的各個(gè)子功能包的結(jié)構(gòu)如下所示機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.2Hector四旋翼無(wú)人機(jī)仿真hector_modelshector_sensors_description包含了sonar/laser/camera/rgb-camera等xacro宏文件及gazeboplugin；hector_xacro_tools包含了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、傳感器安裝的xacro宏文件；hector_components_description包含了一些例程中采用的傳感器搭配xacro文件；hector_model包含了hector_model功能包的管理文件；hector_gazebohector_gazebo_plugins包含了GPS/IMU/MAG/SONAR的gazebo插件(噪聲、飄移、頻率)；hector_gazebo_thermal_camera包含了熱成像相機(jī)的gazebo插件；hector_gazebo_worlds包含了例程中應(yīng)用的gazebo場(chǎng)景和啟動(dòng)文件；hector_sensors_gazebo關(guān)聯(lián)hector_sensors_description包；hector_gazebo包含了hector_gazebo功能包的管理文件；hector_localizationhector_pose_estimation包含了傳感器數(shù)據(jù)匯總、位姿估計(jì)發(fā)布文件；hector_pose_estimation_core包含了EKF核心算法文件；message_to_tf包含了傳感器信息的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換文件；hector_localization包含了hector_localization功能包的管理文件；機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.2Hector四旋翼無(wú)人機(jī)仿真hector_slamhector_mapping包含了建圖、定位節(jié)點(diǎn)文件；hector_geotiff包含了存儲(chǔ)二位柵格地圖及機(jī)器人軌跡的節(jié)點(diǎn)文件；hector_trajectory_server包含了存儲(chǔ)tf軌跡的節(jié)點(diǎn)文件；hector_compressed_map_transport包含了地圖轉(zhuǎn)換成圖片的節(jié)點(diǎn)文件；hector_geotiff_plugins包含了擴(kuò)展柵格地圖的插件；hector_imu_attitude_to_tf包含了將姿態(tài)角發(fā)布到tf的節(jié)點(diǎn)文件；hector_imu_tools包含了IMU的位姿方向角解算；hector_map_server包含了地圖檢索及障礙物檢測(cè)文件；hector_map_tools包含了一個(gè)地圖構(gòu)建的頭文件；hector_marker_drawing包含了可視化標(biāo)記的函數(shù)文件;hector_nav_msgs包含了hector_slam包用到的消息、服務(wù)文件；hector_slam_launch包含了例程中關(guān)于不同配置hector_slam的啟動(dòng)文件；hector_slam包含了hector_slam功能包的管理文件；機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.3Hector仿真環(huán)境搭建為了方便讀者調(diào)試，我們提供了HectorDarmstadt的源碼。本實(shí)驗(yàn)使用到的功能包有：hector_quadrotor、hector_models、hector_gazebo、hector_localization、hector_slam、gazebo_ros_pkgs、geographic_info，其中前五個(gè)是源碼，其余為依賴(lài)安裝包。首先我們需要對(duì)功能包進(jìn)行編譯：$cd~/catkin_ws$catkin_make可能會(huì)出現(xiàn)“Couldnotfindxxxpackage”的報(bào)錯(cuò)，這是因?yàn)槿鄙傧嚓P(guān)的依賴(lài)，運(yùn)行以下命令安裝相應(yīng)的依賴(lài)包，其中xxx代表所缺少依賴(lài)的名稱(chēng)，如圖所示：$sudoapt-getinstallros-melodic-xxx此外還可以通過(guò)rosdep指令安裝所需依賴(lài)：$rosdepinstall--from-pathssrc--ignore-src-r-y依賴(lài)安裝完成后，重新編譯功能包。編譯運(yùn)行截圖機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.4啟動(dòng)Hector仿真實(shí)驗(yàn)（2）室內(nèi)飛行同樣在hector_quradrotor功能包包含四旋翼飛行器的室內(nèi)模擬飛行例程。運(yùn)行以下命令啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)：$roslaunchhector_quadrotor_demoindoor_slam_gazebo.launch節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，Gazebo中將顯示W(wǎng)illowGarage室內(nèi)辦公室的模擬環(huán)境，若沒(méi)有加載出環(huán)境，需要將Gazebo的官方模型庫(kù)（/osrf/gazebo_models）拷貝到路徑為~/.gazebo（如若不行，放置在/share/gazebo-9/models）的文件夾里，可以通過(guò)以下命令查看是否裝好Gazebo的庫(kù)結(jié)果如圖所示：$roslaunchgazebo_roswillowgarage_world.launch運(yùn)行指令可以調(diào)出Gazebo窗口并加載模擬辦公室的環(huán)境。成功配置Gazebo庫(kù)后，運(yùn)行如下命令啟動(dòng)室內(nèi)時(shí)SLAM節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行結(jié)果如圖所示：$roslaunchgazebo_rosindoor_slam_gazebo.launch機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.4啟動(dòng)Hector仿真實(shí)驗(yàn)Hector無(wú)人機(jī)室內(nèi)Gazebo圖像Hector無(wú)人機(jī)室內(nèi)Rviz圖像機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.4啟動(dòng)Hector仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)用使能電機(jī)的服務(wù)，控制無(wú)人機(jī)起飛，命令如下：$rosservicecall/enable_motors"enable:true"運(yùn)行如下命令啟動(dòng)Xbox手柄控制節(jié)點(diǎn)：$roslaunchhector_quadrotor_teleopxbox_controller.launch通過(guò)手柄控制無(wú)人機(jī)移動(dòng)，并實(shí)時(shí)建立環(huán)境地圖，如圖所示。使用rqt_graph工