機器人操作系統(tǒng)（ROS2）入門與實踐 課件 第8章 ROS2中的NAV2自主導(dǎo)航

機器人操作系統(tǒng)（ROS2）入門與實踐機器人操作系統(tǒng)（ROS2）入門與實踐第1章LinuxUbuntu入門基礎(chǔ)第2章ROS2安裝與系統(tǒng)架構(gòu)第3章ROS2編程基礎(chǔ)第4章ROS2機器人運動控制第5章激光雷達在ROS2中的使用第6章IMU在ROS2中的使用第7章ROS2中的SLAM環(huán)境建圖第8章ROS2中的NAV2自主導(dǎo)航第9章ROS2中的圖像視覺應(yīng)用第10章ROS2的三維視覺應(yīng)用第11章ROS2的機械臂應(yīng)用第12章基于ROS2的綜合應(yīng)用第8章8.3開源導(dǎo)航插件的使用

第8章ROS2中的NAV2自主導(dǎo)航8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)8.4本章小結(jié)8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)1、MapServer地圖服務(wù)器2、Planner路徑規(guī)劃器3、Smoother路徑平滑器4、AMCL定位器5、Controller運動控制器6、Recovery導(dǎo)航恢復(fù)行為7、VelocitySmoother速度平滑器8、BTNavigator行為樹管理器8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)1、MapServer地圖服務(wù)器:導(dǎo)航需要地圖作為路徑規(guī)劃的依據(jù)，這個地圖數(shù)據(jù)是由MapServer地圖服務(wù)器提供了。它會將上一章保存的地圖文件加載進來，如所示，然后發(fā)布到“/map”話題中，供其他節(jié)點訂閱獲取。8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)2、Planner路徑規(guī)劃器:路徑規(guī)劃器Planner負責生成全局導(dǎo)航路徑。它先從地圖服務(wù)器的“/map”話題獲取全局地圖，再從機器人的激光雷達話題獲取雷達測距的障礙物點云。將兩者疊加后，生成避障用的全局代價地圖。8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)如圖所示，全局代價地圖里，在障礙物的邊緣會膨脹出一層半透明的漸變區(qū)域，這個代表的就是機器人可能與障礙物發(fā)生碰撞的隱性“代價”。越靠近障礙物，與障礙物碰撞的風險越大，于是顏色越鮮艷，隱性“代價”越大。生成了代價地圖之后，路徑規(guī)劃器Planner使用A*和Dijkstra’s這類路徑規(guī)劃算法生成一條連接起始點和目標點的路徑曲線（對應(yīng)圖中的①），這就是規(guī)劃出來的全局導(dǎo)航路徑。8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)3、Smoother路徑平滑器:路徑規(guī)劃器Planner生成的路徑曲線是一條理論路線，有可能包含一些急轉(zhuǎn)彎、銳角轉(zhuǎn)折等特征（對應(yīng)圖中的②）。需要路徑平滑器Smoother對路徑進行優(yōu)化，在不碰撞障礙物情況下讓路徑的折線部分盡可能圓潤。

同時在一些危險路段讓路徑線路盡可能遠離障礙物，避免機器人因為定位誤差或者控制不善導(dǎo)致與障礙物發(fā)送剮蹭。8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)4、AMCL定位器：有了導(dǎo)航路徑之后，還需要機器人知道自己在地圖中的位置。在NAV2中，使用的AMCL進行機器人的自我定位，這是一種基于概率統(tǒng)計的粒子濾波算法。8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)5、Controller運動控制器：運動控制器會從路徑平滑器Smoother獲取優(yōu)化后的最終路徑曲線（對應(yīng)圖中的③），然后根據(jù)AMCL定位器給出的機器人定位信息，規(guī)劃出機器人當前位置的運動策略，盡量貼合這條路徑曲線。運動控制器Controller按照策略計算出機器人的運動速度，然后通過話題發(fā)送速度消息包給速度平滑器（對應(yīng)圖中的④）。最終由速度平滑器來控制機器人進行運動。8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)6、Recovery導(dǎo)航恢復(fù)行為：導(dǎo)航恢復(fù)行為Recovery的作用是讓機器人從極端情況下脫離險境。這些恢復(fù)行為包括：ClearingActions、nav2_behaviors/Spin、nav2_behaviors/Wait、nav2_behaviors/BackUp，這些行為也是通過話題發(fā)送速度消息包給速度平滑器（對應(yīng)圖中的⑥），由速度平滑器來驅(qū)動機器人進行移動的。8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)7、VelocitySmoother速度平滑器：速度平滑器的作用是將上游運動控制器發(fā)送來的速度進行平滑處理，避免出現(xiàn)控制數(shù)值的突變，盡量保護硬件設(shè)備的安全運行。速度平滑器通常會運行在一個比較高的頻率，數(shù)倍于上游運動控制器的控制頻率。這樣它就能夠?qū)⑸嫌慰刂瓢l(fā)來的速度值，進行離散插值，將一個突變的數(shù)值變化過程，分解成一個逐步變化的過程。8.1NAV2的組成結(jié)構(gòu)8、BTNavigator行為樹管理器：上圖描述的只是NAV2的默認處理流程，這個流程是通過一種名為BehaviorTree行為樹的形式來組織的。NAV2的默認行為樹已經(jīng)設(shè)計得相當簡潔完善。簡單調(diào)整一些參數(shù)數(shù)值，就能夠滿足大部分導(dǎo)航任務(wù)的要求，直接使用就行。8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航

要在ROS2中使用NAV2，需要先安裝相應(yīng)的軟件包。在終端中執(zhí)行如下指令；sudoaptinstallros-humble-navigation2ROS2官方建議安裝一個NAV2的Bringup軟件包，借助這個軟件包的Launch文件來啟動NAV2。如圖8-9所示，這個軟件包的安裝指令是：sudoaptinstallros-humble-nav2-bringup使用NAV2進行自主導(dǎo)航的詳細操作步驟：見教材P208-P231頁8.2.1NAV2的安裝8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航8.2.2使用NAV2實現(xiàn)自主導(dǎo)航1、準備地圖文件source~/ros2_ws/install/setup.bashros2launchwpr_simulation2slam.launch.py啟動終端Terminator:打開第二個命令行窗口:source~/ros2_ws/install/setup.bashros2runwpr_simulation2keyboard_vel_cmd保持Terminator終端窗口位于所有窗口的前邊，且第二個窗口的標題欄為紅色，這樣才能讓鍵盤控制節(jié)點始終能夠接收到鍵盤按下的信號

。

機器人在場景里巡游一遍之后，可以看到建好的地圖了。8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航ros2runnav2_map_servermap_saver_cli-fmap在終端窗口的當前路徑下創(chuàng)建兩個地圖文件：map.pgm和map.yaml。將這兩個文件拷貝到wpr_simulation2的maps文件夾下，后面將從這個文件夾加載地圖文件。8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航啟動終端Terminator:2、編寫導(dǎo)航Launch文件cd~/ros2_ws/srcros2pkgcreatenav_pkg在軟件包中創(chuàng)建一個Launch文件，命名為“l(fā)aunch”。在[launch]文件夾新建文件，命名為“nav.launch.py”。8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航importosfromlaunchimportLaunchDescriptionfromlaunch_ros.actionsimportNodefromament_index_python.packagesimportget_package_share_directoryfromlaunch.actionsimportIncludeLaunchDescriptionfromlaunch.launch_description_sourcesimportPythonLaunchDescriptionSource

defgenerate_launch_description():map_file=os.path.join(get_package_share_directory('wpr_simulation2'),'maps','map.yaml')nav_param_file=os.path.join(get_package_share_directory('wpr_simulation2'),'config','nav2_params.yaml')nav2_launch_dir=os.path.join(get_package_share_directory('nav2_bringup'),'launch')8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航navigation_cmd=IncludeLaunchDescription(PythonLaunchDescriptionSource([nav2_launch_dir,'/bringup_launch.py']),launch_arguments={'map':map_file,'use_sim_time':'True','params_file':nav_param_file}.items(),)rviz_file=os.path.join(get_package_share_directory('wpr_simulation2'),'rviz','navi.rviz')rviz_cmd=Node(package='rviz2',executable='rviz2',name='rviz2',arguments=['-d',rviz_file])

ld=LaunchDescription()ld.add_action(navigation_cmd)ld.add_action(rviz_cmd)

returnld8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航在nav_pkg的CMakeLists.txt文件里，添加如下安裝規(guī)則：3、設(shè)置安裝規(guī)則install(DIRECTORYlaunchDESTINATIONshare/${PROJECT_NAME})4、編譯軟件包cd~/ros2_wscolconbuild8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航8.2.3仿真環(huán)境運行自主導(dǎo)航sourceinstall/setup.bashros2launchwpr_simulation2robocup_home.launch.py8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航打開第二個命令行窗口:sourceinstall/setup.bashros2launchnav_pkgnav.launch.py8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航設(shè)置機器人初始位置需要使用RViz2的工具欄里的[2DPosEstimate]按鈕。8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航設(shè)置好機器人的初始位置后，使用Rviz2界面上方工具條里的[Nav2Goal]按鈕，為機器人指定導(dǎo)航的目標地點和朝向。全局規(guī)劃器會自動規(guī)劃出一條紫色的路徑。這條路徑從機器人當前點出發(fā)，避開障礙物，一直到導(dǎo)航目標點結(jié)束。8.2使用NAV2進行自主導(dǎo)航路徑規(guī)劃完成后，機器人模型會開始沿著這條路徑移動。切換到仿真窗口，可以看到機器人也開始沿著這條路徑移動。機器人到終點后，會原地旋轉(zhuǎn)，調(diào)整航向角，如圖8-44所示，最終朝向剛才設(shè)置目標點時綠色箭頭的方向。8.3開源導(dǎo)航插件的使用

本節(jié)介紹一款開源的地圖導(dǎo)航可視化插件，可以在地圖上設(shè)置多個目標航點。然后通過簡單的消息發(fā)送，就能驅(qū)使機器人導(dǎo)航前往指定的航點。極大提升ROS2中調(diào)用NAV2導(dǎo)航服務(wù)的開發(fā)體驗。詳細操作步驟見教材P232-P257頁8.3開源導(dǎo)航插件的使用8.3.1安裝導(dǎo)航插件

在使用前，需要下載插件源碼并編譯安裝。cd~/ros2_ws/srcgitclone/6-robot/wp_map_tools.gitgitclone/s-robot/wp_map_tools.git

源碼下載完畢后，進入到這個插件源碼目錄的scripts文件夾中，安裝編譯這個項目需要的依賴項：cd~/ros2_ws/src/wp_map_tools/scripts/./install_for_humble.sh

編譯剛才下載的插件源碼包：cd~/ros2_ws/colconbuild8.3開源導(dǎo)航插件的使用

在使用前，首先需要按照8.2.2的步驟建好環(huán)境地圖，并把地圖文件拷貝到wpr_simulation2的maps文件夾里。8.3.2添加航點8.3開源導(dǎo)航插件的使用cd~/ros2_ws/srcsourceinstall/setup.bash打開一個終端：ros2launchwp_map_toolsadd_waypoint_sim.launch.py回車執(zhí)行會啟動RViz2窗口，如圖所示，窗口里可以看到之前創(chuàng)建的地圖。8.3開源導(dǎo)航插件的使用在Rviz2工具欄的右邊，可以看到新增了一個[AddWaypoint]按鈕，單擊[AddWaypoint]按鈕，就可以在地圖上添加航點，在RViz2窗口里的地圖找到要添加航點的位置，單擊鼠標左鍵并按住不放，會出現(xiàn)一個綠色箭頭，箭頭的尾部就是所添加航點的坐標位置。拖動鼠標，綠色箭頭會跟著旋轉(zhuǎn)，箭頭指向就是航點的朝向。8.3開源導(dǎo)航插件的使用使用上述方法，在地圖上設(shè)置更多的航點：8.3開源導(dǎo)航插件的使用執(zhí)行完畢后，在用戶的主文件夾下會生成一個名為“waypoints.yaml”的文件。打開第2個子窗口：sourceinstall/setup.bashros2runwp_map_toolswp_saver8.3開源導(dǎo)航插件的使用如圖所示，這個文件里保存的就是設(shè)置的航點信息，雙擊打開這個文件對其內(nèi)容進行編輯。8.3開源導(dǎo)航插件的使用8.3.3啟動導(dǎo)航服務(wù)

在wp_map_tools軟件包中準備了兩個節(jié)點可以簡化這個調(diào)用過程：

wp_edit_node節(jié)點。這個節(jié)點會從主文件夾下的“waypoints.yaml”文件中獲取之前保存的航點信息，供其他節(jié)點查詢使用。

wp_navi_server節(jié)點。這個節(jié)點會從話題“/waterplus/navi_waypoint”中獲取導(dǎo)航的目標航點名稱，然后從wp_edit_node節(jié)點查詢該航點的坐標和朝向，接著調(diào)用NAV2的原生導(dǎo)航接口，完成導(dǎo)航任務(wù)。導(dǎo)航完成后，會向話題“/waterplus/navi_result”發(fā)送信息“navidone”提示導(dǎo)航已經(jīng)完成。

有了這兩個節(jié)點，就可以通過話題通訊完成導(dǎo)航任務(wù)，下面將介紹如何使用這兩個節(jié)點。

編寫導(dǎo)航Launch文件在nav_pkg軟件包中的[launch]文件夾新建文件，命名為“waypoint_nav.launch.py”。8.3開源導(dǎo)航插件的使用8.3開源導(dǎo)航插件的使用importosfromlaunchimportLaunchDescriptionfromlaunch_ros.actionsimportNodefromament_index_python.packagesimportget_package_share_directoryfromlaunch.actionsimportIncludeLaunchDescriptionfromlaunch.launch_description_sourcesimportPythonLaunchDescriptionSource

defgenerate_launch_description():map_file=os.path.join(get_package_share_directory('wpr_simulation2'),'maps','map.yaml')nav_param_file=os.path.join(get_package_share_directory('wpr_simulation2'),'config','nav2_params.yaml')nav2_launch_dir=os.path.join(get_package_share_directory('nav2_bringup'),'launch')8.3開源導(dǎo)航插件的使用navigation_cmd=IncludeLaunchDescription(PythonLaunchDescriptionSource([nav2_launch_dir,'/bringup_launch.py']),launch_arguments={'map':map_file,'use_sim_time':'True','params_file':nav_param_file}.items(),)

rviz_file=os.path.join(get_package_share_directory('wp_map_tools'),'rviz','navi.rviz')rviz_cmd=Node(package='rviz2',executable='rviz2',name='rviz2',arguments=['-d',rviz_file])8.3開源導(dǎo)航插件的使用wp_edit_cmd=Node(package='wp_map_tools',executable='wp_edit_node',name='wp_edit_node')

wp_navi_server_cmd=Node(package='wp_map_tools',executable='wp_navi_server',name='wp_navi_server')

ld=LaunchDescription()ld.add_action(navigation_cmd)ld.add_action(rviz_cmd)ld.add_action(wp_edit_cmd)ld.add_action(wp_navi_server_cmd)

returnld8.3開源導(dǎo)航插件的使用8.3.4構(gòu)建航點導(dǎo)航程序

下面會編寫一個節(jié)點，向話題“/waterplus/navi_waypoint”發(fā)送導(dǎo)航目的地的航點名稱，激活wp_navi_server節(jié)點的導(dǎo)航功能，完成導(dǎo)航任務(wù)。1、編寫節(jié)點代碼在VSCode中找到nav_pkg軟件包，在

“src”文件夾新建文件，命名為“waypoint_navigation.cpp”。8.3開源導(dǎo)航插件的使用#include<rclcpp/rclcpp.hpp>#include<std_msgs/msg/string.hpp>

std::shared_ptr<rclcpp::Node>node;

voidResultCallback(conststd_msgs::msg::String::SharedPtrmsg){if(msg->data=="navidone"){RCLCPP_INFO(node->get_logger(),"Arrived!");}}

intmain(intargc,char**argv){rclcpp::init(argc,argv);node=std::make_shared<rclcpp::Node>("waypoint_navigation_node");8.3開源導(dǎo)航插件的使用autonavigation_pub=node->create_publisher<std_msgs::msg::String>("/waterplus/navi_waypoint",10);autoresult_sub=node->create_subscription<std_msgs::msg::String>("/waterplus/navi_result",10,ResultCallback);

rclcpp::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));

std_msgs::msg::Stringwaypoint_msg;waypoint_msg.data="1";navigation_pub->publish(waypoint_msg);

rclcpp::spin(node);

rclcpp::shutdown();return0;}