机器人学习之项目- Project3:Map My World

企业开发 2023-06-05 09:34:06 阅读次数: 0

1.概述

欢迎来到Project 3: Map My World（绘制我的世界地图）!在这个项目中，将使用RTAB-Map包从模拟环境中使用机器人创建一个2D占用网格和3D octomap。RTAB-Map(基于实时外观的映射)是SLAM开发能够三维映射环境的机器人的流行解决方案。RTAB-Map具有良好的速度和内存管理，并为信息分析提供了定制开发的工具。尤其重要的是，ROS Wiki (rtabmap_ros - ROS Wiki)上的文档质量非常高，若能够结合利用好RTAB-Map与机器人，将给绘图及定位打下一个坚实的基础。

对于这个项目，我们将使用rtabmap_ros包，这是一个用于与RTAB-Map交互的ROS包装器(API)。在查看相关文档时请记住这一点。

项目说明

项目流程如下:

1）将开发自己的包来与rtabmap_ros包进行接口。

2）在上一个定位项目的基础上进行必要的更改，以便将机器人与RTAB-Map连接起来。这方面的一个例子是RGB-D相机的添加。

3）确保所有文件都在适当的位置，所有链接都正确连接，命名设置正确，主题映射正确。此外，还需要生成适当的启动文件来启动机器人并映射其周围环境。

4）当机器人启动后，teleop控制它在房间里移动，生成一个适当的环境地图。

2.仿真设置 

设置catkin_ws文件夹以及src文件夹，然后从上一个项目抓取代码（复制上一个项目的模拟环境和机器人）至重新命名的文件包（ 比如：myrobotb）中。即，创建用于启动Gazebo世界和机器人模拟的包。然后运行catkin_make和source devel/setup.bash脚本。启动world.launch以验证是否可以正常运行!

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roslaunch myrobotb world.launch

3.RTAB-Map包

RTAB-Map Pacakge

尽管ROS提供了大量的包，但是集成ROS包需要理解包本身以及它如何连接到项目。最好从RTAB-Map ROS Wiki页面开始。

根据文档http://wiki.ros.org/rtabmap_ros/Tutorials/SetupOnYourRobot，推荐的机器人配置要求:

1）一个2D Laser，提供sensor_msgs/LaserScan消息的测程传感器；

2）提供nav_msgs/Odometry消息的3D 摄像传感器；

3）兼容openni_launch, openni2_launch或freenect_launch ROS包。 

但似乎我们缺少3D摄像传感器!

4.传感器升级

在之前的项目中，使用RGB相机，现在是时候给机器人升级了。具体来说，我们将为RTAB-Map使用一个模拟Kinect摄像头。升级传感器如下：

增加optical摄像头链接

对于URDF文件中的RGB-D相机，为了使Gazebo中的相机图像与机器人正确对齐，需要在相机链接上增加一个额外的链接和一个额外的关节。注意，camera_optical_joint的父链接应该正确配置为原始摄像机链接。在机器人的.xacro文件中添加以下关节和链接:

<joint name="camera_optical_joint" type="fixed">
    <origin xyz="0 0 0" rpy="-1.5707 0 -1.5707"/>
    <parent link="camera_link"/>
    <child link="camera_link_optical"/>
  </joint>

  <link name="camera_link_optical">
  </link>

配置RGB-D摄像头

为此，我们需要替换现有的相机及其共享目标文件:libgazebo_ros_camera. so到Kinect共享目标文件:libgazebo_ros_openni_kinect.so。同时，更新<frameName>为刚才创建的camera_link_optical链接。

除此之外，还需要为RGB-D相机设置额外的参数，并与现实世界中对应的驱动程序发布的主题相匹配。我们为下面的摄像机代码提供了一个示例。把它替换到现有的机器人的.gazebo文件中!

下面提供了一段摄像机代码: 

<!-- RGBD Camera -->
  <gazebo reference="camera_link">
    <sensor type="depth" name="camera1">
        <always_on>1</always_on>
        <update_rate>20.0</update_rate>
        <visualize>true</visualize>             
        <camera>
            <horizontal_fov>1.047</horizontal_fov>  
            <image>
                <width>640</width>
                <height>480</height>
                <format>R8G8B8</format>
            </image>
            <depth_camera>

            </depth_camera>
            <clip>
                <near>0.1</near>
                <far>20</far>
            </clip>
        </camera>
         <plugin name="camera_controller" filename="libgazebo_ros_openni_kinect.so">
            <alwaysOn>true</alwaysOn>
            <updateRate>10.0</updateRate>
            <cameraName>camera</cameraName>
            <frameName>camera_link_optical</frameName>                   
            <imageTopicName>rgb/image_raw</imageTopicName>
            <depthImageTopicName>depth/image_raw</depthImageTopicName>
            <pointCloudTopicName>depth/points</pointCloudTopicName>
            <cameraInfoTopicName>rgb/camera_info</cameraInfoTopicName>              
            <depthImageCameraInfoTopicName>depth/camera_info</depthImageCameraInfoTopicName>            
            <pointCloudCutoff>0.4</pointCloudCutoff>                
                <hackBaseline>0.07</hackBaseline>
                <distortionK1>0.0</distortionK1>
                <distortionK2>0.0</distortionK2>
                <distortionK3>0.0</distortionK3>
                <distortionT1>0.0</distortionT1>
                <distortionT2>0.0</distortionT2>
            <CxPrime>0.0</CxPrime>
            <Cx>0.0</Cx>
            <Cy>0.0</Cy>
            <focalLength>0.0</focalLength>
            </plugin>
    </sensor>
  </gazebo>

5.RTAB-Map Launch文件

Launch文件

添加RTAB-Map的启动文件：mapping.launch

我们的映射启动文件充当主节点，它与能够使用RTAB-Map执行SLAM所需的所有部件进行接口。以下提供一个mapping.launch启动文件的标记模板。在launch文件夹创建mapping.launch启动文件。

通读代码和注释，了解每个部分实现了什么以及原因。请随意使用RTAB-Map的文档学习，以超越这个模板。这里的任务是将正确的主题重新映射到rtabmap所需的主题。

  • scan
  • rgb/image
  • depth/image
  • rgb/camera_info

在机器人的urdf文件中，找到机器人要发布到的实际主题。当找到正确的值时，把它们代入在此启动文件的开头 <arg> 标签，然后mapping 节点就可以找到执行RTAB-Mapping所需的所有信息!

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<launch>
  <!-- Arguments for launch file with defaults provided -->
  <arg name="database_path"     default="rtabmap.db"/>
  <arg name="rgb_topic"   default="/camera/rgb/image_raw"/>
  <arg name="depth_topic" default="/camera/depth/image_raw"/>
  <arg name="camera_info_topic" default="/camera/rgb/camera_info"/>  


  <!-- Mapping Node -->
  <group ns="rtabmap">
    <node name="rtabmap" pkg="rtabmap_ros" type="rtabmap" output="screen" args="--delete_db_on_start">

      <!-- Basic RTAB-Map Parameters -->
      <param name="database_path"       type="string" value="$(arg database_path)"/>
      <param name="frame_id"            type="string" value="base_footprint"/>
      <param name="odom_frame_id"       type="string" value="odom"/>
      <param name="subscribe_depth"     type="bool"   value="true"/>
      <param name="subscribe_scan"      type="bool"   value="true"/>

      <!-- RTAB-Map Inputs -->
      <remap from="scan" to="/scan"/>
      <remap from="rgb/image" to="$(arg rgb_topic)"/>
      <remap from="depth/image" to="$(arg depth_topic)"/>
      <remap from="rgb/camera_info" to="$(arg camera_info_topic)"/>

      <!-- RTAB-Map Output -->
      <remap from="grid_map" to="/map"/>

      <!-- Rate (Hz) at which new nodes are added to map -->
      <param name="Rtabmap/DetectionRate" type="string" value="1"/>

      <!-- 2D SLAM -->
      <param name="Reg/Force3DoF" type="string" value="true"/>

      <!-- Loop Closure Detection -->
      <!-- 0=SURF 1=SIFT 2=ORB 3=FAST/FREAK 4=FAST/BRIEF 5=GFTT/FREAK 6=GFTT/BRIEF 7=BRISK 8=GFTT/ORB 9=KAZE -->
      <param name="Kp/DetectorStrategy" type="string" value="0"/>

      <!-- Maximum visual words per image (bag-of-words) -->
      <param name="Kp/MaxFeatures" type="string" value="400"/>

      <!-- Used to extract more or less SURF features -->
      <param name="SURF/HessianThreshold" type="string" value="100"/>

      <!-- Loop Closure Constraint -->
      <!-- 0=Visual, 1=ICP (1 requires scan)-->
      <param name="Reg/Strategy" type="string" value="0"/>

      <!-- Minimum visual inliers to accept loop closure -->
      <param name="Vis/MinInliers" type="string" value="15"/>

      <!-- Set to false to avoid saving data when robot is not moving -->
      <param name="Mem/NotLinkedNodesKept" type="string" value="false"/>
    </node>
  </group>
</launch>

 更多信息参考:

6.RTAB-Map实时可视化

实时可视化

可以使用的另一个工具是rtabmapviz，它是用于特性映射、循环闭包等实时可视化的附加节点。由于计算开销，不建议在模拟中映射时使用此工具。Rtabmapviz非常适合在实时映射期间部署在真实的机器人上，以确保获得完成循环闭包所需的特性。

如果您希望为映射启用它，请将此代码片段添加到mapping.launch文件。这将启动rtabmapviz GUI，并为您提供实时特征检测、循环闭包和映射过程的其他相关信息。

<!-- visualization with rtabmapviz -->
    <node pkg="rtabmap_ros" type="rtabmapviz" name="rtabmapviz" args="-d $(find rtabmap_ros)/launch/config/rgbd_gui.ini" output="screen">
        <param name="subscribe_depth"             type="bool" value="true"/>
        <param name="subscribe_scan"              type="bool" value="true"/>
        <param name="frame_id"                    type="string" value="base_footprint"/>

        <remap from="rgb/image"       to="$(arg rgb_topic)"/>
        <remap from="depth/image"     to="$(arg depth_topic)"/>
        <remap from="rgb/camera_info" to="$(arg camera_info_topic)"/>
        <remap from="scan"            to="/scan"/>
    </node>

7.ROS Teleop包

在之前的实验和项目中，已经使用teleop节点通过键盘来控制机器人。在这里，我们还需要它，以便我们可以在环境中导航机器人并执行RTAB-Mapping。

克隆teleop包到Workspace src文件夹并编译!可以在这里找到代码:  GitHub - ros-teleop/teleop_twist_keyboard: Generic Keyboard Teleop for ROS

8.Mapping: Map My World 

Map My World!

一切都准备好了。启动ROS节点，让我们开始：

首先，启动Gazeboworld和RViz，在环境中生成机器人:

roslaunch myrobotb world.launch

然后，启动teleop节点:

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

最后，启动映射节点:

roslaunch myrobotb mapping.launch

在模拟中导航机器人，为环境创建地图!当所有设置完成后，结束节点，可以在启动文件中指定的位置找到map db文件。如果没有修改参数，它将位于/root/. ros/ 文件夹。

最佳实践

先可以从较低的速度开始，我们的目标是用最少的关卡创造出一个很棒的地图。获取3个循环闭包就足够映射整个环境了。可以通过重复相似的路径两次或三次来最大化循环闭包。这允许最大限度的特征检测，促进更快的循环关闭!当完成映射后，请确保在映射新环境之前复制或移动数据库。记住，重新启动映射节点会删除之前的数据库!

9.Mapping:Database Viewer数据库查看器

rtabmap-databaseViewer是一个很好的工具，用于在生成数据库后探索数据库。它与ROS隔离，并允许对映射会话进行完整的分析。包括如何检查循环闭包，生成3D地图查看，提取图像，检查功能映射丰富的区域，以及更多!

让我们从打开映射数据库开始:rtabmap-databaseViewer ~/.ros/rtabmap.db

打开后，需要添加一些窗口，以便更好地查看相关信息，因此:   

  • Say yes to using the database parameters确认是否使用数据库参数
  • View -> Constraint View
  • View -> Graph View

这些选项已经足够使用，因为数据库查看器中内置了许多特性!

在这里插入图片描述

让我们来谈谈在上图中所看到的。在左边，是所有更新迭代的2D网格地图和机器人的路径。在中间是不同的图像从映射过程。在这里，可以通过图像来查看检测算法的所有特征。这些特征用黄色表示。那么，粉色是什么?粉红色表示两个图像有共同特征的地方，这些信息被用于创建相邻的链接和循环闭包!最后，在右边可以看到约束视图。在这里，可以确定在哪里以及如何创建相邻的链接和循环闭包。

可以在左下角看到循环闭包的数量。这些代码代表:邻居、邻居合并、全局循环关闭、按空间关闭本地循环、按时间关闭本地循环、用户关闭循环和优先链接。

当需要设计自己的环境时，这个工具可以作为一种很好的资源，用于检查环境的功能是否足够丰富，可以生成全局循环闭包。为了实现循环闭包，一个好的环境具有许多可以关联的特性。

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转载自blog.csdn.net/jeffliu123/article/details/129909256
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