ROS的運用開發(fā)詳解

ROS的運用開發(fā)

一般來說市面上機器人的開發(fā)分兩個主流，一個是移動機器人（AGV），主要運用場景是酒店送餐，餐廳導航+送餐，倉庫物流，銀行業(yè)務處理等；一種是協(xié)作機器人，六自由度，用于抓取、焊接等。

當然還有這兩種的結合形成可搬運加抓取的復合機器人，一些小的方向還有人形機器人、無人機等。

以開發(fā)AGV為例 ，對于AGV來說尤其是室內(nèi)運用的場景，最重要的就是地圖構建和導航，也就是SLAM技術。

這里面主要涉及三大塊：

1、建圖，比如gmapping，hector_slam，cartographer這幾個算法，通過采集點云數(shù)據(jù)進行地圖構建。這里的點云數(shù)據(jù)一般是一個特定平面的，如何sick tim571、倍加福R2000、鐳神這些傳感器都能實現(xiàn)該功能，并提供好了對應的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。

激光雷達一般是網(wǎng)口形式，和運行的Ubuntu電腦組成一個局域網(wǎng)，而三維點云一般是通過USB或者串口通信使ROS獲取到數(shù)據(jù)。

所以使用ROS的這點好處就在于，不用太關注于硬件接口甚至物理接口的定義。

對于ROS使用建圖包，我在《ROS中slam_gmapping、map_server源碼解讀及其librviz的使用》中有詳細說明。

2、定位， 常用的是AMCL算法，也就是針對上述建圖得到的機器人當前在地圖中的位置坐標信息，因為是二維地圖，得到的數(shù)據(jù)是x,y坐標和方向角。

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

3、導航和路徑規(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，即代價地圖，其核心思想是對所建立的地圖包括機器人本身都要進行一定的膨脹，也就是預留一定空間要考慮機器人的體積大小，不然行駛時，尤其是轉(zhuǎn)彎，機器人會碰撞到障礙物。

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

有了上述這幾個包，機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的。

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

為了快速上手或者驗證，可以從一些現(xiàn)成的機器人入手，比如TurtleBot。不過這些更多適用于實驗室研究，比如算法的驗證等。對于真正的開發(fā)機器人產(chǎn)品，也具有一定的參考價值。

一般而言，AGV的系統(tǒng)架構圖如下：

可以看到主要核心控制是運行在Ubuntu的工業(yè)級電腦上，激光雷達基本是現(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)包括電機驅(qū)動并上傳數(shù)據(jù)給ROS層，所以這個工作量也非常大，涉及到的通信協(xié)議也比較多，就相當于一個智能節(jié)點。

至關重要的就是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證，曾經(jīng)因為通信協(xié)議的問題導致的粘包也是相當難定位的。

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。關于和硬件通信方面的問題，引用一個老外的話，我覺得遵循這個原則是比較穩(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構，驅(qū)動器和電機的選擇也是非常重要的，不然里程計導致的累計誤差會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），控制器本身就預留有IO，還能適配某些485協(xié)議和控制某些型號的電機驅(qū)動器，這些模塊直接插上去就可以用。

此外，對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)。于是客戶更側重于應用層，也就是HMI這一塊，比如手機端應用，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。

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

最后就是結構問題，我不知道是不是因為騰訊、阿里巴巴、網(wǎng)易、字節(jié)跳動等這些互聯(lián)網(wǎng)巨頭公司的影響，我們越來越看重軟件的開發(fā)，也就是ROS層和嵌入式層的開發(fā)。

其實對于制造業(yè)產(chǎn)品，工業(yè)設計和結構設計非常重要，軟件設計再好，結構沒設計到位哪怕是一點尺寸的偏差都會導致機器運行不穩(wěn)定。在ROS中urdf模型文件的定義也跟設計的結構有關（尺寸、位置等）。

另外，結構設計需要考慮是否容易安裝、維護、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中設計的各種通信接口，串口調(diào)試工具，TCPView，wireshark，CAN analyzer等都是常用的工具。三是window和linux下相互間遠程，相互間傳文件等，從中可以學到不少東西。