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自动二进制机器人

图3-13

三、 设计方案

SLAM (simultaneous localization and mapping) , 即时定位与地图构建,或称并发建图与定位。问题可以描述为:将一个机器人放入未知环境中的未知位置,是否有办法让机器人一边移动一边逐步描绘出此环境完全的地图,所谓完全的地图(a consistent map)是指不受障碍行进到房间可进入的每个角落。近年来,智能机器人技术在世界范围内得到快速发展。从室内、外搬运机器人,到自动驾驶汽车,再到空中无人机、水下探测机器人等,智能机器人的运用都得到了巨大突破。
激光雷达已经被证明在低照度、少纹理等环境中更加有效,可以提供高信噪比的观测数据,精度高,测量距离远,可以准确获得目标的三维信息。激光SLAM技术相对成熟,在工业 AGV、无人驾驶领域已经得到广泛应用。
激光SLAM利用二维激光测距仪或者三维激光测距仪对场景进行感知,利用返回的点云数据估计车辆的运动,并输出场景建模的结果。激光SLAM的工作原理也可以分为前端和后端2个部分,前端用于获取扫描数据,通过帧间点云的匹配估计车辆的运动关系,后端用于进行优化计算,闭环检测以及场景建模的输出等。在前端计算中,常用的点云匹配方法有迭代最近邻(Iterative Closest Point, ICP)算法及其变种算法,如PI-IC,相关性扫描匹配方法 (Correlation Scan Match, CSM),特征匹配法[8]和梯度优化方法等,在后端优化方法中,常用的方法有基于滤波器的方法和基于图优化的方法等。目前常见 的 二 维 激 光SLAM方 法 有:Gmapping-SLAM, 自动二进制机器人 Hector-SLAM,Karto SLAM和 Cartographer等,三 维 激 光SLAM方 法有LOAM,LeGO-LOAM和 MC2SLAM等。本次我们主要以谷歌开源的Cartographer建图算法进行相关的算法测试与改进。

2. Cartographer简介与使用

1) 自动二进制机器人 Cartographer简介

  • 安装工具 可以使用如下命令安装工具:
  • 初始化工作空间 使用如下命令初始化工作空间:
  • 加入cartographer_ros.自动二进制机器人 rosinstall并更新依赖 命令如下:
  • 安装依赖并下载cartographer相关功能包 命令如下:
  • 编译并安装 命令如下

2) 官方demo的演示

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图3-1

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图3-5
另起终端,输入下列指令,查看该建图功能运行的相关节点,如图3-5所示:

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3. 阿克曼模型测试

1) SLAM建图

首先,需要对谷歌Cartographer建图功能包中相关的数据进行一些配置,由于普通用的基本为2D或者3D激光雷达,如我的机器人使用2D激光,这里按照这个进行简介,我们移植到自己机器人需做三件事:
第一件:一定要把Cartography和自己ROS 工作空间隔离开,不然存在问题,两个不是用相同编译器进行。
第二件:更改demo_revo_lds.launch使其匹配自己的机器人
第三件:根据自己机器人配置的TF结构对cartography的配置文件进行更改,这里主要会更改lua脚本,这里使用revo_lds.lua。
更改demo_revo_lds.launch,这里主要删除不需要配置,如跑bag的节点和更改我们自己发布的2D激光雷达的数据,更改后的如下:

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图3-7

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图3-8

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图3-10
2) SLAM导航
上述的建图完成后,我们测试一下阿克曼模型的导航功能,考虑到阿克曼模型和真车类似,base_local_planner 和dwa_local_planner不适应阿克曼,所以建图的过程我们选用teb算法进行仿真,打开仿真环境下的gazebo可视化界面,如图3-11,加载雷达和相关的传感器数据:

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该部分加载了导航必要的全局与局部规划的相关配置参数以及代价地图的相关配置参数,并且考虑到没有GPS为小车做定位,选用amcl对阿克曼小车进行更加精准的定位。
重启一个终端,运行下列命令,如图3-12:

在这里插入图片描述

图3-12
使用rviz中的2D Nav Goal发布目标点,Ares阿克曼小车就会自动导航到该点,效果如下图3-13、3-14、3-15所示:

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图3-13

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图3-14

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示例程序

知识要点

要点1 巡线传感器原理
巡线传感器位于机器人的下方(见附图),由两个传感器 Sensor1和Sensor2构成,每个传感器又由一个红外发射器和一个红外接收器组成(如附图)。由于其经常被用来控制机器人沿着线走,故被称作巡线传感器。检测范围为1到2厘米。
红外发射器在mBot行驶过程中不断向地面发射红外光:
若红外光被反射(如遇到白色或其他浅色平面), 则接收器收到红外信号,输出数值1 (此时可观察到巡线传感器背面对应的蓝色LED指示灯亮起);
若红外光被吸收或无法被反射,则 接收器收不到红外信号,输出数值0。
根据下表中的说明,可知巡线传感器的值只有4种情况:0、1、2、3。

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接收器是否收到反射红外信号 Sensor1返回的数值 Sensor2返回的数值 表示为二进制 二进制转换为十进制
(即传感器在舞台上显示的值)
Sensor1 Sensor2
情况1 未收到 未收到 0 0 00 0
情况2 未收到 收到 0 1 01 1
情况3 收到 未收到 1 0 102
情况4 收到 收到 1 1 11 3

要点2 当巡线传感器正前方没有物体,或离物体较远时,巡线传感器的值是多少?
当巡线传感器前方没有物体或离物体较远时,由于红外线无法被反射,或反射回来的信号较弱,因此视Sensor1和Sensor2未收到红外信号, 返回的数值均为0,故符合上表中的情况1,巡线传感器的数值为0。

扩展任务
分别将黑色纸和白色纸放置在巡线传感器正前方,观察舞台上巡线传感器的读数。