智能機器人創(chuàng)新實踐 課件 第三章 ROS開發(fā)環(huán)境與傳感器適配

智能機器人創(chuàng)新實踐

第三章ROS開發(fā)環(huán)境與傳感器適配

13ROS開發(fā)環(huán)境和傳感器適配2ROS介紹ROS基礎(chǔ)ROS下相機的使用移動機器人Rviz與Gazebo仿真3.1ROS介紹什么是ROS：ROS(RobotOperatingSystem，機器人操作系統(tǒng))是一個用于機器人應(yīng)用的開源軟件開發(fā)工具包。起源：32007起源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室與機器人技術(shù)公司W(wǎng)illowGarage之間合作的個人機器人項目2009年，WillowGarage開放了ROS的源碼200943.1ROS介紹特點：代碼復用分布式松耦合精簡語言獨立性易于測試豐富的組件化工具包53.3ROS基礎(chǔ)ROS可以運行在Linux、Unix和Android平臺上。目前官方對Linux中的Ubuntu系統(tǒng)支持最好。63.3ROS基礎(chǔ)ROS由不同的功能包組成，每個功能包提供一類問題的解決方案。ROS

在內(nèi)部通過消息和服務(wù)的方式實現(xiàn)不同程序（節(jié)點）的通信。鍵盤節(jié)點手柄節(jié)點平板節(jié)點ROS環(huán)境機器人節(jié)點73.3ROS基礎(chǔ)節(jié)點通信：節(jié)點直接通訊：83.3ROS基礎(chǔ)一個topic對應(yīng)多個publisher和subscriber：93.3ROS基礎(chǔ)ROS基本功能包命令：（1）rospack用于獲取功能包的相關(guān)信息（2）rosstack

獲取功能包集的相關(guān)信息（3）rosls

可通過功能包的名稱列出其包含的文件/文件夾，而不必使用絕對路徑（4）roscd

改變當前目錄到指定的功能包/功能包集（5）catkin_create_pkg創(chuàng)建ros功能包（6）catkin_make的作用是編譯ros功能包（7）Tab

自動完成輸入103.3ROS基礎(chǔ)ROS中的核心命令：（1）在運行ros節(jié)點之前，必須先運行roscore

命令（2）rosrun

運行ros節(jié)點（3）rosnode

可以顯示正在運行的ros節(jié)點信息（4）rosmsg

顯示消息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，rossrv

顯示服務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義（5）rostopic

查看節(jié)點的主題信息（6）rosservice

是一個應(yīng)用于服務(wù)的命令（7）rosparam

可用來保存和設(shè)置ROS參數(shù)服務(wù)器(ParameterServer)中的數(shù)據(jù)。安裝可以分屏的終端:Terminator。輸入以下命令安裝：113.3ROS基礎(chǔ)sudoaptinstallterminator12

3.6ROS下相機的使用（1）設(shè)備準備：USB單目相機（2）準備ROS版本USB攝像機驅(qū)動，輸入一下命令克隆usb_cam包源碼（gitclone/ros-drivers/usb_cam）13

3.6ROS下相機的使用首先需要通過命令行來顯示電腦此時的相機可用情況然后看個人電腦情況修改launch文件14

3.6ROS下相機的使用修改完launch文件之后需要對工作空間重新進行編譯：啟動roscore之后，啟動相機節(jié)點15

3.6相機標定攝像機標定(Cameracalibration)簡單來說是從世界坐標系換到圖像坐標系的過程，也就是求最終的投影矩陣。一般來說，標定的過程分為兩個部分：1.是從世界坐標系轉(zhuǎn)換為相機坐標系，這一步是三維點到三維點的轉(zhuǎn)換，包括相機外參等參數(shù)；2.是從相機坐標系轉(zhuǎn)為圖像坐標系，這一步是三維點到二維點的轉(zhuǎn)換，包括相機內(nèi)參等參數(shù)；16

3.6相機標定相機標定的四個坐標系：世界坐標系、相機坐標系、圖像坐標系、像素坐標系坐標系的關(guān)系：17

3.6相機標定相機標定參數(shù)：相機的三大標定參數(shù)分別為：相機的內(nèi)參矩陣A(dx,dy,r,u,v,f)、外參矩陣[R|T]、畸變系數(shù)[k1,k2,k3,~,p1,p2,~]18

3.6相機標定給定一幅棋盤格模型的圖像，可以估計一個單應(yīng)性矩陣。界面中的X表示標定板在視野中的左右位置。Y表示標定板在視野中的上下位置。Size表示標定板在占視野的尺寸大小，也可以理解為標定板離攝像頭的遠近。19

3.6相機標定外參標定流程：20

3.6相機標定相機的外參標定所檢測的是旋轉(zhuǎn)平移矩陣，即[R|T]，因此需要檢測ArucoMarker在空間中相對于相機的旋轉(zhuǎn)與平移關(guān)系。ArucoMarker是一種漢明碼的格子圖21

3.6相機標定相機外參標定可視化結(jié)果:223.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Rviz是一款三維可視化工具，很好地兼容了各種基于ROS軟件框架的機器人平臺。界面：233.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Rviz的界面主要部分：（1）3D顯示窗口：（2）顯示欄：243.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Rviz的界面主要部分：（3）工具欄：（4）復位鍵：該鍵位于Rviz的底部，可實現(xiàn)對機器人模型的復位，使其回到初始狀態(tài)（5）視圖欄：253.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Gazebo是一款機器人的仿真軟件，基于ODE(OpenDynamicEngine)物理引擎規(guī)劃，常用于機器人的運動學/動力學仿真。Gazebo界面：263.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Gazebo的窗口分區(qū)：（1）左側(cè)面板：該面板主要用于仿真場景的搭建插入：在當前場景下插入新的模塊世界：顯示當前場景下所有的模型，可以通過該選項查看與修改參數(shù)階層：組織并顯示仿真中可用模型273.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Gazebo的窗口分區(qū)：（2）頂部工具欄：該面板主要用于仿真場景的瀏覽鼠標狀按鈕移動、旋轉(zhuǎn)、縮放撤銷、重做放置長方體、球體、圓柱體放置點光源、聚光燈、方向性光源復制、粘貼對齊、捕捉更改視圖283.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Gazebo的窗口分區(qū)：（2）頂部工具欄：該面板主要用于仿真場景的瀏覽播放播放步長實時因子模擬時間真實時間迭代次數(shù)293.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真TF樹的建立：TF(TransForm)是坐標轉(zhuǎn)換，包括了位置和姿態(tài)兩個方面的變換。區(qū)分坐標轉(zhuǎn)換和坐標系轉(zhuǎn)換：坐標轉(zhuǎn)換是一個坐標在不同坐標系下的表示；而坐標系轉(zhuǎn)換示不同坐標系的相對位姿關(guān)系。303.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Link函數(shù)：URDF中的link標簽用于描述機器人某個部件(也即剛體部分)的外觀和物理屬性313.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Joint函數(shù)：URDF中的joint標簽用于描述機器人關(guān)節(jié)的運動學和動力學屬性，還可以指定關(guān)節(jié)運動的安全極限323.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真Gazebo中顯示機器人模型：333.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真通過arbotix實現(xiàn)DashGOD1機器人在Rviz中的運動控制：343.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)采集與底盤運動控制速度節(jié)點和雷達掃描發(fā)布節(jié)點的信息顯示：353.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真solidworks_urdf_exporter插件的使用：solidworks_urdf_exporter是一款用于自動生成URDF文件的插件，基于solidworks繪制的工程圖文件，對其進行坐標插入、節(jié)點連接、參數(shù)修正。步驟：(1)添加節(jié)點坐標系363.7移動機器人Rviz與Gazebo仿真solidworks_