基于ROS的室内机器人系统仿真（智能机器人环境感知与路径规划课程项目-暨第三十届冯如杯科技竞赛参赛项目 .zip

# ROS室内机器人系统 **北京航空航天大学计算机学院-智能机器人环境感知与路径规划课程项目-暨第三十届冯如杯科技竞赛参赛项目** * [系统简介](#系统简介) * [系统安装](#系统安装) * [仿真环境](#仿真环境) - [机器人建模](#机器人建模) - [运行环境](#运行环境) * [定位建图](#定位建图) * [自动定位建图](#自动定位建图) * [手动建图](#手动建图) * [室内导航](#室内导航) * [定点导航](#定点导航) * [固定线路巡航（传回摄像机数据）](#固定线路巡航传回摄像机数据) * [算法切换-添加新的导航算法](#算法切换-添加新的导航算法) * [局部路径规划参数分析](#局部路径规划参数分析) * [全局路径规划算法分析](#全局路径规划算法分析) ## 系统简介 系统实现了基于 `SLAM` 的室内机器人在陌生环境中自主定位建图、定点导航以及图像数据的传输。可以应用在酒店、商场、医院、博物馆、学校教学楼实验楼等室内场所，实现为人们实体引领导航、探索目标、配送物品、提供无接触服务等等场景。 系统依赖 `ROS` 框架，通过其通信机制实现了对机器人的控制、调用传感器数据等功能，版本为 `ROS-Kinetic` ，其运行的环境为 `Ubuntu16.04LTS` 。系统实现所用的机器人是 `Turtlebot2` ，采用其固有的 `Kuboki` 底盘，搭载 `Kinect2` 深度相机以及 `Rplidar` 二维激光雷达。 系统原本计划在搭载传感器的机器人真机上，放置在实际室内环境中测试和完善，但受疫情影响，项目组无法返回实验室得到真机，因此基于 `Gazebo7` 搭建了简单的仿真环境。 ## 系统安装 系统开发、运行及仿真的环境为 `Ubuntu16.04LTS` ，请注意虚拟机也许会面临未知的兼容性问题，显卡的性能也会影响图形化和 `3D` 仿真的运行，因此建议使用安装 `Ubuntu16.04LTS` 的真机以及性能不至于过低的显卡来安装和运行系统。 `ROS-Kinetic` 、基本仿真和测试软件以及 `Turtlebot2` 机器人支持代码的安装和简单测试见如下链接的教程： https://blog.csdn.net/JeremyZhao1998/article/details/104468680 基本软件安装和测试成功后即可建立 `catkin` 工作空间，并克隆本项目代码并编译，注意最后一条 source 的操作**是每次更新 `catkin_ws` 的内容后必须的操作**，若要省去该操作可以将该命令添加到 `~/.bashrc` 文件末尾，这样每次打开终端都会先执行该操作确保内容更新可以被系统识别： ```shell # 建立catkin工作空间 cd ~ mkdir catkin_ws cd catkin_ws # 克隆项目代码 git clone https://github.com/JeremyZhao1998/IndoorRobot.git # 编译工作空间的代码并刷新环境 catkin_make source devel/setup.bash ``` ## 仿真环境 系统原本计划在搭载传感器的机器人真机上，放置在实际室内环境中测试和完善，但受疫情影响，项目组无法返回实验室得到真机，因此基于 `Gazebo7` 搭建了简单的仿真环境。 ### 机器人建模 系统在仿真环境中，在 `turtlebot2` 机器人官方模型的基础上加装了 `hokuyo` 雷达。激光雷达相比 `Kinect` 相机具有扫描范围更大、速度更快的优点，可以更专注于建图与障碍物检测功能，提高运行效率。通过以下的步骤替换系统中的文件，实现仿真环境中 `turtlebot2+Kinect+hokuyo` 协同工作。 ```shell # 进入root权限（需要输入密码） sudo -i # 进入turtlebot_gazebo包，替换turtlebot_world.launch文件 roscd turtlebot_gazebo cd launch/includes rm turtlebot_world.launch cp ~/catkin_ws/robot_remould/turtlebot_world.launch ./ # 进入turtlebot_description包，添加kobuki_hexagons_hokuyo.urdf.xacro文件 roscd turtlebot_description/ cd robots cp ~/catkin_ws/robot_remould/kobuki_hexagons_hokuyo.urdf.xacro ./ # 在turtlebot_description包中替换整个urdf文件夹 cd .. rm -r urdf cp -r ~/catkin_ws/robot_remould/urdf ./ # 在meshes/sensors文件夹中添加hokuyo.dae文件 cp ~/catkin_ws/robot_remould/hokuyo.dae ./meshes/sensors/hokuyo.dae ``` 替换文件后，需要添加环境变量。打开 `~/.bashrc` 文件，在末尾添加以下指令： ```shell export TURTLEBOT_BASE=kobuki export TURTLEBOT_STACKS=heagons export TURTLEBOT_3D_SENSOR=hokuyo export TURTLEBOT_GAZEBO_WORLD_FILE=/home/zhao/catkin_ws/gazebo_worlds/square_hall.world ``` 完成上述工作后，按照下一节内容打开仿真环境后会发现机器人拥有 `kinect` 相机和 `hokuyo` 雷达两个传感器：  ### 运行环境 使用如下命令启用我们已经搭建好的仿真环境： ```shell roslaunch turtlebot_gazebo turtlebot_world.launch ```  上述命令的省却了 `map_file` 参数参数，默认值设置为了我们搭建的上图的世界文件。该参数是可以修改的，后跟仿真世界文件（.world文件）的完整路径，例如下面的指令。除了上述世界外系统还在 `gazebo_worlds` 文件夹下提供了其他示例世界 。用户也可搭建自己的仿真世界，使用如下指令进入一个空的仿真世界： ```shell roslaunch turtlebot_gazebo turtlebot_world.launch map_file:=~/catkin_ws/gazebo_worlds/empty.world ``` 然后向仿真环境中插入物品，创造属于自己的仿真世界。随后要打开自己的仿真世界，只需要使用上面同样的指令，最后一项改为自己的世界文件即可。 ## 定位建图 ### 自动定位建图 系统安装了 `RRT` 算法的自动探索建图功能，仿真机器人利用激光雷达进行自动的探索建立二维地图。使用方法如下： ```shell roslaunch rrt_exploration_tutorials single_simulated_square_hall.launch roslaunch rrt_exploration single.launch ```  该命令会同时启动仿真界面和 `Rviz` 控制器，在 `Rviz` 界面左上方单击 `2D Nav Goal` 选择导航点，或者使用 `Publish Points` 指定五个导航点，机器人会自动运动到该点并在沿途使用激光雷达建立地图。 当地图建立足够完善时，可以使用以下命令保存地图，其中最后一个参数是想要保存的地图路径和名称： ```shell rosrun map_server map_saver -f /home/<username>/maps/my_map ``` ### 手动建图 除了推荐的自动探索建图外，用户还可以选择手动控制机器人运动建图，该方法的优势在于运行更稳定，可以人工控制机器人扫描每一个死角，并且同样可以远程操作。在此仅演示使用激光雷达的，效率更高的 `hector_slam` 算法。分别在两个终端启用 `Gazebo` 仿真以及 `hector_slam` 算法： ```shell roslaunch turtlebot_gazebo turtlebot_world.launch map_file:=~/catkin_ws/gazebo_worlds/square_hall.world ``` ```shell roslaunch rplidar_ros hector_mapping_demo.launch ``` 分别启动 `Gazebo` 仿真以及 `hector_slam` 算法后，仿真世界里的激光雷达已经开始扫描数据，此时需要启动机器人控制，手动控制机器人运动以探索地图： ```shell roslaunch turtlebot_teleop keyboard_teleop.launch ```  当地图建立足够完善时，可以使用以下命令保存地图，其中最后一个参数是想要保存的地图路径和名称： ```shell rosrun map_server map_saver -f /home/<username>/maps/my_map ``` ## 室内导航 ### 定点导航 系统提供了多种导航（全局路径规划）算法可供用户选择，根据不同的地形条件选用不同的算法。分别在三个终端使用以下三条命令启动仿真界面、路径规划节点以及 `Rviz` 控制器： ```shell roslaunch turtlebot_gazebo turtlebot_world.launch roslaunch turtlebot_gazebo amcl_demo.launch map_file:=/home/zhao/catkin_ws/ros_maps/square_hall.yaml roslaunch turtlebot_rviz_launchers view_navigation.launch `