ROS探索总结-14.move_base（路径规划）
move_base（路径规划）
在上一篇的博客中，我们一起学习了ROS定位于导航的总体框架，这一篇我们主要研究其中最重要的move_base包。
在总体框架图中可以看到，move_base提供了ROS导航的配置、运行、交互接口，它主要包括两个部分：
（1） 全局路径规划（global planner）：根据给定的目标位置进行总体路径的规划；
（2） 本地实时规划（local planner）：根据附近的障碍物进行躲避路线规划。
一、数据结构
ROS中定义了MoveBaseActionGoal数据结构来存储导航的目标位置数据，其中最重要的就是位置坐标（position）和方向（orientation）。
rosmsg show MoveBaseActionGoal
[move_base_msgs/MoveBaseActionGoal]:
std_msgs/Header header
uint32 seq
time stamp
string frame_id
actionlib_msgs/GoalID goal_id
time stamp
string id
move_base_msgs/MoveBaseGoal goal
geometry_msgs/PoseStamped target_pose
std_msgs/Header header
uint32 seq
time stamp
string frame_id
geometry_msgs/Pose pose
geometry_msgs/Point position
float64 x
float64 y
float64 z
geometry_msgs/Quaternion orientation
float64 x
float64 y
float64 z
float64 w
二、配置文件
move_base使用前需要配置一些参数：运行成本、机器人半径、到达目标位置的距离，机器人移动的速度，这些参数都在rbx1_nav包的以下几个配置文件中：
? base_local_planner_params.yaml
? costmap_common_params.yaml
? global_costmap_params.yaml
? local_costmap_params.yaml
三、全局路径规划（global planner）
在ROS的导航中，首先会通过全局路径规划，计算出机器人到目标位置的全局路线。这一功能是navfn这个包实现的。
navfn通过Dijkstra最优路径的算法，计算costmap上的最小花费路径，作为机器人的全局路线。将来在算法上应该还会加入A*算法。
具体见：
http://www.ros.org/wiki/navfn?distro=fuerte
注意：indigo版本是：
http://wiki.ros.org/navfn?distro=indigo
四、本地实时规划（local planner）
本地的实时规划是利用base_local_planner包实现的。该包使用Trajectory Rollout 和Dynamic Window approaches算法计算机器人每个周期内应该行驶的速度和角度（dx，dy，dtheta velocities）。
base_local_planner这个包通过地图数据，通过算法搜索到达目标的多条路经，利用一些评价标准（是否会撞击障碍物，所需要的时间等等）选取最优的路径，并且计算所需要的实时速度和角度。
其中，Trajectory Rollout 和Dynamic Window approaches算法的主要思路如下：
（1） 采样机器人当前的状态（dx,dy,dtheta）；
（2） 针对每个采样的速度，计算机器人以该速度行驶一段时间后的状态，得出一条行驶的路线。
（3） 利用一些评价标准为多条路线打分。
（4） 根据打分，选择最优路径。
（5） 重复上面过程。
具体参见：
http://www.ros.org/wiki/base_local_planner?distro=groovy
注意：indigo版本是：
http://www.ros.org/wiki/base_local_planner?distro=indigo
五、ArbotiX仿真——手动设定目标
在这一步，我们暂时使用空白地图（blank_map.pgm），就在空地上进行无障碍仿真。
首先运行ArbotiX节点，并且加载机器人的URDF文件。
roslaunch rbx1_bringup fake_turtlebot.launch
然后运行move_base和加载空白地图的launch文件（fake_move_base_blank_map.launch）：
roslaunch rbx1_nav fake_move_base_blank_map.launch
该文件的具体内容如下：
<launch>
<!-- Run the map server with a blank map -->
<node name="map_server" pkg="map_server" type="map_server" args="$(find rbx1_nav)/maps/blank_map.yaml"/>
<include file="$(find rbx1_nav)/launch/fake_move_base.launch" />
<!-- Run a static transform between /odom and /map -->
<node pkg="tf" type="static_transform_publisher" name="odom_map_broadcaster" args="0 0 0 0 0 0 /map /odom 100" />
</launch>
其中调用了fake_move_base.launch文件，是运行move_base节点并进行参数配置。
然后调用rviz就可以看到机器人了。
rosrun rviz rviz -d `rospack find rbx1_nav`/nav_fuerte.vcg
注意：indigo版本为：
rosrun rviz rviz -d `rospack find rbx1_nav`/nav_test.rviz
我们先以1m的速度进行一下测试：
让机器人前进一米：
rostopic pub /move_base_simple/goal geometry_msgs/PoseStamped '{ header: { frame_id: "base_link" }, pose: { position: { x: 1.0, y: 0, z: 0 }, orientation: { x: 0, y: 0, z: 0, w: 1 } } }'
让机器人后退一米，回到原来的位置：
rostopic pub /move_base_simple/goal geometry_msgs/PoseStamped '{ header: { frame_id: "map" }, pose: { position: { x: 0, y: 0, z: 0 }, orientation: { x: 0, y: 0, z: 0, w: 1 } } }'
在rviz中的轨迹图如下：
在机器人移动过程中，有一条蓝色的线（被黄线挡住了）就是机器人的全局规划的路径；红色的箭头是实施规划的路线，会不断更新，有的时候会呈现很大的弧线，那是因为机器人在转向的过程中尽量希望保持平稳的角度。如果觉得路径规划的精度不够，可以修改配置文件中的pdist_scale参数进行修正。
然后我们可以认为的确定目标位置，点击rviz上方的2D Nav Goal按键，然后左键选择目标位置，机器人就开始自动导航了。
六、ArbotiX仿真——带有障碍物的路径规划
首先我们让机器人走一个正方形的路线。先通过上面的命令，让机器人回到原始位置（0，0，0），然后按reset按键，把所有的箭头清除。接着运行走正方形路径的代码：
rosrun rbx1_nav move_base_square.py
在rviz中可以看到：
四个顶角的粉色圆盘就是我们设定的位置，正方形比较规则，可见定位还是比较准确的。然我们先来分析一下走正方形路线的代码：
#!/usr/bin/env python
import roslib; roslib.load_manifest('rbx1_nav')
import rospy
import actionlib
from actionlib_msgs.msg import *
from geometry_msgs.msg import Pose, Point, Quaternion, Twist
from move_base_msgs.msg import MoveBaseAction, MoveBaseGoal
from tf.transformations import quaternion_from_euler
from visualization_msgs.msg import Marker
from math import radians, pi
class MoveBaseSquare():
def __init__(self):
rospy.init_node('nav_test', anonymous=False)
rospy.on_shutdown(self.shutdown)
# How big is the square we want the robot to navigate?
# 设定正方形的尺寸，默认是一米
square_size = rospy.get_param("~square_size", 1.0) # meters
# Create a list to hold the target quaternions (orientations)
# 创建一个列表，保存目标的角度数据
quaternions = list()
# First define the corner orientations as Euler angles
# 定义四个顶角处机器人的方向角度（Euler angles:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AC%A7%E6%8B%89%E8%A7%92)
euler_angles = (pi/2, pi, 3*pi/2, 0)
# Then convert the angles to quaternions
# 将上面的Euler angles转换成Quaternion的格式
for angle in euler_angles:
q_angle = quaternion_from_euler(0, 0, angle, axes='sxyz')
q = Quaternion(*q_angle)
quaternions.append(q)
# Create a list to hold the waypoint poses
# 创建一个列表存储导航点的位置
waypoints = list()
# Append each of the four waypoints to the list. Each waypoint
# is a pose consisting of a position and orientation in the map frame.
# 创建四个导航点的位置（角度和坐标位置）
waypoints.append(Pose(Point(square_size, 0.0, 0.0), quaternions[0]))
waypoints.append(Pose(Point(square_size, square_size, 0.0), quaternions[1]))
waypoints.append(Pose(Point(0.0, square_size, 0.0), quaternions[2]))
waypoints.append(Pose(Point(0.0, 0.0, 0.0), quaternions[3]))
# Initialize the visualization markers for RViz
# 初始化可视化标记
self.init_markers()
# Set a visualization marker at each waypoint
# 给每个定点的导航点一个可视化标记(就是rviz中看到的粉色圆盘标记)
for waypoint in waypoints:
p = Point()
p = waypoint.position
self.markers.points.append(p)
# Publisher to manually control the robot (e.g. to stop it)
# 发布TWist消息控制机器人
self.cmd_vel_pub = rospy.Publisher('cmd_vel', Twist)
# Subscribe to the move_base action server
# 订阅move_base服务器的消息
self.move_base = actionlib.SimpleActionClient("move_base", MoveBaseAction)
rospy.loginfo("Waiting for move_base action server...")
# Wait 60 seconds for the action server to become available
# 等待move_base服务器建立
self.move_base.wait_for_server(rospy.Duration(60))
rospy.loginfo("Connected to move base server")
rospy.loginfo("Starting navigation test")
# Initialize a counter to track waypoints
# 初始化一个计数器，记录到达的顶点号
i = 0
# Cycle through the four waypoints
# 主循环,环绕通过四个定点
while i < 4 and not rospy.is_shutdown():
# Update the marker display
# 发布标记指示四个目标的位置，每个周期发布一起，确保标记可见
self.marker_pub.publish(self.markers)
# Intialize the waypoint goal
# 初始化goal为MoveBaseGoal类型
goal = MoveBaseGoal()
# Use the map frame to define goal poses
# 使用map的frame定义goal的frame id
goal.target_pose.header.frame_id = 'map'
# Set the time stamp to "now"
# 设置时间戳
goal.target_pose.header.stamp = rospy.Time.now()
# Set the goal pose to the i-th waypoint
# 设置目标位置是当前第几个导航点
goal.target_pose.pose = waypoints[i]
# Start the robot moving toward the goal
# 机器人移动
self.move(goal)
i += 1
def move(self, goal):
# Send the goal pose to the MoveBaseAction server
# 把目标位置发送给MoveBaseAction的服务器
self.move_base.send_goal(goal)
# Allow 1 minute to get there
# 设定1分钟的时间限制
finished_within_time = self.move_base.wait_for_result(rospy.Duration(60))
# If we don't get there in time, abort the goal
# 如果一分钟之内没有到达，放弃目标
if not finished_within_time:
self.move_base.cancel_goal()
rospy.loginfo("Timed out achieving goal")
else:
# We made it!
state = self.move_base.get_state()
if state == GoalStatus.SUCCEEDED:
rospy.loginfo("Goal succeeded!")
def init_markers(self):
# Set up our waypoint markers
# 设置标记的尺寸
marker_scale = 0.2
marker_lifetime = 0 # 0 is forever
marker_ns = 'waypoints'
marker_id = 0
marker_color = {'r': 1.0, 'g': 0.7, 'b': 1.0, 'a': 1.0}
# Define a marker publisher.
# 定义一个标记的发布者
self.marker_pub = rospy.Publisher('waypoint_markers', Marker)
# Initialize the marker points list.
# 初始化标记点的列表
self.markers = Marker()
self.markers.ns = marker_ns
self.markers.id = marker_id
self.markers.type = Marker.SPHERE_LIST
self.markers.action = Marker.ADD
self.markers.lifetime = rospy.Duration(marker_lifetime)
self.markers.scale.x = marker_scale
self.markers.scale.y = marker_scale
self.markers.color.r = marker_color['r']
self.markers.color.g = marker_color['g']
self.markers.color.b = marker_color['b']
self.markers.color.a = marker_color['a']
self.markers.header.frame_id = 'map'
self.markers.header.stamp = rospy.Time.now()
self.markers.points = list()
def shutdown(self):
rospy.loginfo("Stopping the robot...")
# Cancel any active goals
self.move_base.cancel_goal()
rospy.sleep(2)
# Stop the robot
self.cmd_vel_pub.publish(Twist())
rospy.sleep(1)
if __name__ == '__main__':
try:
MoveBaseSquare()
except rospy.ROSInterruptException:
rospy.loginfo("Navigation test finished.")
但是，在实际情况中，往往需要让机器人自动躲避障碍物。move_base包的一个强大的功能就是可以在全局规划的过程中自动躲避障碍物，而不影响全局路径。障碍物可以是静态的（比如墙、桌子等），也可以是动态的（比如人走过）。
现在我们尝试在之前的正方形路径中加入障碍物。把之前运行除了roscore，其他终端Ctrl-C掉，然后运行：
roslaunch rbx1_nav fake_move_base_obstacle.launch
注意：indigo版本为：
$ roslaunch rbx1_nav fake_move_base_map_with_obstacles.launch
在运行RVIZ：
$ rosrun rviz rviz -d `rospack find rbx1_nav`/nav_obstacles.rviz
然后就会看到在rviz中出现了障碍物。然后在运行之前走正方形路线的代码：
rosrun rbx1_nav move_base_square.py
这回我们可以看到，在全局路径规划的时候，机器人已经将障碍物绕过去了，下过如下图：
在上图中，黑色的线是障碍物，周围浅色的椭圆形是根据配置文件中的inflation_radius参数计算出来的安全缓冲区。全局规划的路径基本已经是最短路径了。在仿真的过程中也可以动态重配置那四个配置文件，修改仿真参数。
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