ROS的運(yùn)用開發(fā)詳解

ROS的運(yùn)用開發(fā)

一般來說市面上機(jī)器人的開發(fā)分兩個(gè)主流，一個(gè)是移動(dòng)機(jī)器人（AGV），主要運(yùn)用場(chǎng)景是酒店送餐，餐廳導(dǎo)航+送餐，倉庫物流，銀行業(yè)務(wù)處理等；一種是協(xié)作機(jī)器人，六自由度，用于抓取、焊接等。

當(dāng)然還有這兩種的結(jié)合形成可搬運(yùn)加抓取的復(fù)合機(jī)器人，一些小的方向還有人形機(jī)器人、無人機(jī)等。

以開發(fā)AGV為例 ，對(duì)于AGV來說尤其是室內(nèi)運(yùn)用的場(chǎng)景，最重要的就是地圖構(gòu)建和導(dǎo)航，也就是SLAM技術(shù)。

這里面主要涉及三大塊：

1、建圖，比如gmapping，hector_slam，cartographer這幾個(gè)算法，通過采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖構(gòu)建。這里的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般是一個(gè)特定平面的，如何sick tim571、倍加福R2000、鐳神這些傳感器都能實(shí)現(xiàn)該功能，并提供好了對(duì)應(yīng)的ROS包，或者通過kinect、realsense三維傳感器將其轉(zhuǎn)換為二維的數(shù)據(jù)。不管是哪種傳感器，不同于接口。

激光雷達(dá)一般是網(wǎng)口形式，和運(yùn)行的Ubuntu電腦組成一個(gè)局域網(wǎng)，而三維點(diǎn)云一般是通過USB或者串口通信使ROS獲取到數(shù)據(jù)。

所以使用ROS的這點(diǎn)好處就在于，不用太關(guān)注于硬件接口甚至物理接口的定義。

對(duì)于ROS使用建圖包，我在《ROS中slam_gmapping、map_server源碼解讀及其librviz的使用》中有詳細(xì)說明。

2、定位， 常用的是AMCL算法，也就是針對(duì)上述建圖得到的機(jī)器人當(dāng)前在地圖中的位置坐標(biāo)信息，因?yàn)槭嵌S地圖，得到的數(shù)據(jù)是x,y坐標(biāo)和方向角。

AMCL包一般和導(dǎo)航的包是合在一起的。這里單獨(dú)列出來是為了說明還有其他定位方式，比如光反射導(dǎo)航定位、超聲波導(dǎo)航定位、wifi定位等，有篇總結(jié)比較好的博客《自主移動(dòng)機(jī)器人常用的導(dǎo)航定位技術(shù)及原理》可以參見一下。

3、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃，也就是move_base包，里面還包含局部路徑規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃，dwa路徑搜索和costmap_2d。關(guān)于這些包之間的調(diào)用，網(wǎng)上有太多這樣的圖，我就沒必要再貼一遍了。

costmap是David V. Lu提出的算法，即代價(jià)地圖，其核心思想是對(duì)所建立的地圖包括機(jī)器人本身都要進(jìn)行一定的膨脹，也就是預(yù)留一定空間要考慮機(jī)器人的體積大小，不然行駛時(shí)，尤其是轉(zhuǎn)彎，機(jī)器人會(huì)碰撞到障礙物。

關(guān)于costmap的應(yīng)用，尤其是添加自己想要的layer，賀一家博士有很好的實(shí)踐，參見《ROS 教程之 navigation ：在 catkin 環(huán)境下創(chuàng)建costmap layer plugin》。

有了上述這幾個(gè)包，機(jī)器人就能跑起來了嗎？答案肯定是否定的，不過至少這些包可以在Gazebo和rviz中仿真了，看起來效果還是挺不錯(cuò)的。

不過仿真和實(shí)際差別還是太大了，比如真實(shí)環(huán)境中激光雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)，真實(shí)環(huán)境中所建立的地圖等。 此外，搭建一個(gè)小型的機(jī)器人系統(tǒng)從硬件選型到調(diào)試成功也會(huì)經(jīng)歷一段非常痛苦的過程 。

為了快速上手或者驗(yàn)證，可以從一些現(xiàn)成的機(jī)器人入手，比如TurtleBot。不過這些更多適用于實(shí)驗(yàn)室研究，比如算法的驗(yàn)證等。對(duì)于真正的開發(fā)機(jī)器人產(chǎn)品，也具有一定的參考價(jià)值。

一般而言，AGV的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：

可以看到主要核心控制是運(yùn)行在Ubuntu的工業(yè)級(jí)電腦上，激光雷達(dá)基本是現(xiàn)成的模塊，語音系統(tǒng)一般是選配的模塊，這種模塊也挺多，比如科大訊飛等，根據(jù)項(xiàng)目需求來。

同等重要的還有傳感器采集模塊，也就是ARM層或PLC層，這一層主要用于采集外圍的數(shù)據(jù)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)并上傳數(shù)據(jù)給ROS層，所以這個(gè)工作量也非常大，涉及到的通信協(xié)議也比較多，就相當(dāng)于一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)。

至關(guān)重要的就是ARM層和PC之間的通信，無論是傳輸速率還是協(xié)議的穩(wěn)定性都有待大量的驗(yàn)證，曾經(jīng)因?yàn)橥ㄐ艆f(xié)議的問題導(dǎo)致的粘包也是相當(dāng)難定位的。

所以盡量不要采用自有協(xié)議，用穩(wěn)定的modbus 232，CANopen總線等是比較好的選擇。關(guān)于和硬件通信方面的問題，引用一個(gè)老外的話，我覺得遵循這個(gè)原則是比較穩(wěn)定的，尤其是在加載硬件初始化的過程中。

其次，AGV一般是兩輪或者四輪的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的選擇也是非常重要的，不然里程計(jì)導(dǎo)致的累計(jì)誤差會(huì)影響建圖和定位精度。

現(xiàn)在有專門只做AGV控制器的公司，也就是圖片中的ROS層和ARM層這一塊（注：就不一定是采用的ROS框架了），控制器本身就預(yù)留有IO，還能適配某些485協(xié)議和控制某些型號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這些模塊直接插上去就可以用。

此外，對(duì)外還提供了各種各樣的接口（TCP server，web，modbus master等）用于二次開發(fā)。于是客戶更側(cè)重于應(yīng)用層，也就是HMI這一塊，比如手機(jī)端應(yīng)用，web端顯示，PC端的軟件等，這種二次開發(fā)一般采用C/S或者B/S的架構(gòu)。

我看到一個(gè)比較好的AGV調(diào)試人機(jī)交互界面例子是Ros_Qt5_Gui_App（在GitHub上搜ros qt gui就排在我前面一位）。

最后就是結(jié)構(gòu)問題，我不知道是不是因?yàn)轵v訊、阿里巴巴、網(wǎng)易、字節(jié)跳動(dòng)等這些互聯(lián)網(wǎng)巨頭公司的影響，我們?cè)絹碓娇粗剀浖拈_發(fā)，也就是ROS層和嵌入式層的開發(fā)。

其實(shí)對(duì)于制造業(yè)產(chǎn)品，工業(yè)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，軟件設(shè)計(jì)再好，結(jié)構(gòu)沒設(shè)計(jì)到位哪怕是一點(diǎn)尺寸的偏差都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器運(yùn)行不穩(wěn)定。在ROS中urdf模型文件的定義也跟設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)（尺寸、位置等）。

另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮是否容易安裝、維護(hù)、部件的更換、AGV平衡性、精度、美觀等等，也不是一件容易的事。

關(guān)于開發(fā)的調(diào)試，ROS上手容易但調(diào)試難，一是缺少單步調(diào)試，我目前看到的方法是使用GDB調(diào)試器，不過感覺還是挺麻煩的，用得人不太多，更多的bug調(diào)試還是通過日志查看的。

二由于ROS中設(shè)計(jì)的各種通信接口，串口調(diào)試工具，TCPView，wireshark，CAN analyzer等都是常用的工具。三是window和linux下相互間遠(yuǎn)程，相互間傳文件等，從中可以學(xué)到不少東西。