基于ROS的自主導(dǎo)航系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

胡思旺，李春杰

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 軟件學(xué)院，蘇州 215000）

移動機(jī)器人在陌生環(huán)境中自主避障與導(dǎo)航一直是機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于如何解決機(jī)器人在陌生環(huán)境中的定位與路徑規(guī)劃問題。一方面，基于里程計(jì)慣性導(dǎo)航[1]的實(shí)現(xiàn)，往往因?yàn)閼T性傳感器長時間的累積誤差，極易造成機(jī)器人航跡計(jì)算偏差，無法滿足移動機(jī)器人定位與路徑規(guī)劃的精度要求。另一方面，采用GPS信號的衛(wèi)星導(dǎo)航[2]技術(shù)，存在室內(nèi)信號弱，定位誤差大，且極易受到天氣與環(huán)境影響等問題。

顯然，傳統(tǒng)上的自主導(dǎo)航技術(shù)難以勝任移動機(jī)器人自主導(dǎo)航的需求。同時定位與地圖構(gòu)建SLAM（simultaneous localization and mapping）技術(shù)的提出是解決傳統(tǒng)上導(dǎo)航技術(shù)缺陷的有效方法。SLAM是指機(jī)器人在陌生環(huán)境中通過獲取自身傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在陌生環(huán)境中的自主定位與環(huán)境地圖構(gòu)建，機(jī)器人依據(jù)SLAM構(gòu)建的室內(nèi)環(huán)境地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時利用自身傳感器數(shù)據(jù)自主避障到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS是基于Linux構(gòu)建的開源機(jī)器人操作系統(tǒng)，其本質(zhì)上是運(yùn)行在Linux上的機(jī)器人軟件開發(fā)工具集，提供非常多的開源硬件驅(qū)動與算法功能包，極大方便機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)。在此基于ROS設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)器人的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，并在stdr_simulator仿真系統(tǒng)上測試與驗(yàn)證。

1 ROS操作系統(tǒng)

ROS是2010年由Willow Garage公司發(fā)布開源的次級操作系統(tǒng)，最早基于Ubuntu操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ROS的設(shè)計(jì)初衷是幫助實(shí)現(xiàn)機(jī)器人研發(fā)過程中的代碼復(fù)用，提高機(jī)器人開發(fā)人員的效率，因此ROS被設(shè)計(jì)成為一種分布式、松耦合的架構(gòu)，不同的執(zhí)行程序被分散地獨(dú)立設(shè)計(jì)，可以按需求將不同的執(zhí)行程序組合起來，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能。系統(tǒng)在運(yùn)行時，所有的可執(zhí)行程序及其所交互的數(shù)據(jù)都會通過ROS實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組織與實(shí)現(xiàn)。

ROS中把可執(zhí)行程序稱為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過基于ROS主題的形式傳遞消息。ROS提供節(jié)點(diǎn)基于主題訂閱與發(fā)布的消息通訊模式，節(jié)點(diǎn)將消息發(fā)布到指定主題中，其它節(jié)點(diǎn)通過訂閱主題來獲取消息，通訊模式如圖1所示。

圖1 ROS消息模型Fig.1 ROS messaging model

ROS允許節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在同一網(wǎng)絡(luò)下的不同計(jì)算機(jī)上，由ROS節(jié)點(diǎn)管理器ROS Master負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)通訊的管理。ROS Master提供節(jié)點(diǎn)、主題等信息的注冊與查找，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)分布式、松耦合的通訊。ROS Master工作原理如圖2所示。

ROS Master負(fù)責(zé)維護(hù)ROS中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)程之間的通訊，發(fā)布者節(jié)點(diǎn)在ROS Master中注冊主題與自身地址。訂閱者節(jié)點(diǎn)通過在ROS Master中依據(jù)訂閱的主題查找發(fā)布者節(jié)點(diǎn)通訊地址，依據(jù)ROS通訊協(xié)議，與發(fā)布者建立Socket通訊鏈路，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)布者與訂閱者的消息通訊。

圖2 ROS Master通訊模型Fig.2 ROS Master communication model

2 自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ROS為機(jī)器人自主導(dǎo)航開發(fā)提供了大量的功能級軟件包。在此，利用了ROS提供的用于機(jī)器人SLAM的gmapping軟件包，以及用于自主避障與路徑規(guī)劃的navigation軟件包集，在stdr_simulator仿真器下仿真實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的自主導(dǎo)航。ROS將提供的軟件功能包以封裝成節(jié)點(diǎn)的形式提供給開發(fā)者使用，通過組織不同節(jié)點(diǎn)，極大方便自主導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

gmapping軟件包基于RBPF粒子濾波算法[3]，利用激光雷達(dá)傳感器與機(jī)器人里程計(jì)信息構(gòu)建室內(nèi)柵格地圖，其核心運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)為slam_gmapping。在此通過配置navigation軟件包實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主避障與路徑規(guī)劃，amcl軟件包實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動定位。ROS提供navigation軟件包集配置如圖3所示。功能如下：

1）amcl 是ROS提供實(shí)現(xiàn)在SLAM構(gòu)建的柵格地圖上定位軟件包，基于粒子濾波的蒙特卡洛定位算法實(shí)現(xiàn)。

2）sensor transforms 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人中不同傳感器與機(jī)器人本體之間復(fù)雜坐標(biāo)系統(tǒng)變換。

3）Odometry 負(fù)責(zé)發(fā)布move_base運(yùn)行的里程計(jì)信息。

4）base_controller 訂閱move_base路徑規(guī)劃的速度geometry_msgs/Twist消息，并轉(zhuǎn)換為機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動指令，驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)行。

5）Laser sensor 為激光雷達(dá)節(jié)點(diǎn)，提供激光掃描數(shù)據(jù)。

6）map_server 是ROS提供的讀取柵格地圖的工具，為move_base提供自主導(dǎo)航需要的先驗(yàn)環(huán)境地圖。

圖3 navigation導(dǎo)航功能包集配置Fig.3 Navigation package configuration

7）move_base 是整個導(dǎo)航功能包集的核心運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，根據(jù)機(jī)器人外部傳感器數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的自主避障和路徑規(guī)劃。

8）global_planner 是全局路徑規(guī)劃插件，在此采用A*路徑規(guī)劃算法[4]。

9）local_planner 是move_base中局部路徑規(guī)劃插件，基于DWA動態(tài)窗口法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主避障與局部路徑規(guī)劃。

10）recovery_behaviors 是當(dāng)機(jī)器人導(dǎo)航失敗時執(zhí)行動作的配置。

ROS基于代價地圖實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的路徑規(guī)劃，global_costmap為全局代價地圖，local_costmap為局部代價地圖。

3 自主導(dǎo)航系統(tǒng)配置

ROS導(dǎo)航功能包集中核心配置為move_base軟件包配置。move_base軟件包實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人自主避障與路徑規(guī)劃。move_base在global_costmap全局代價地圖上實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃，在local_costmap上實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃。在配置文件中配置機(jī)器人運(yùn)行時的相關(guān)參數(shù)。move_base軟件包運(yùn)行時，通過加載編寫的配置文件，實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的自主導(dǎo)航。相關(guān)的配置有：通用配置文件；全局代價地圖配置文件；局部代價地圖配置文件。

3.1 通用參數(shù)配置

通用參數(shù)配置文件，主要用于配置全局路徑規(guī)劃插件global_planner與局部路徑規(guī)劃插件local_planner的共同必要基本參數(shù)。在此配置如下：

其中，robot_radius參數(shù)配置圓形機(jī)器人的半徑；obstacle_range代表傳感器最大的探測距離；raytrace_range：表示障礙物最小引入代價地圖的距離；observation_sources參數(shù)定義構(gòu)建代價地圖傳感器的來源。

3.2 全局代價地圖參數(shù)配置

全局代價地圖用于配置全局路徑規(guī)劃插件global_planner的工作行為。其配置如下：

其中，global_frame與robot_base_frame定義全局地圖與機(jī)器人本體坐標(biāo)系統(tǒng)；update_frequency定義全局路徑規(guī)劃插件global_planner的工作頻率。對于機(jī)器人在偏離原先的全局路徑時，全局路徑規(guī)劃插件將重新規(guī)劃全局路徑。

3.3 局部代價地圖參數(shù)配置

局部代價地圖用于配置局部規(guī)劃器在自主避障過程的DWA動態(tài)窗口算法的工作行為。在此配置如下：

在局部路徑規(guī)劃配置中，主要配置global_frame，robot_base_frame機(jī)器人地圖坐標(biāo)系及機(jī)器人本體坐標(biāo)系。public_frequency配置局部路徑規(guī)劃器發(fā)布信息的頻率。controller_patience表示在代價地圖清理操作執(zhí)行前，控制器花多長時間等有效控制下發(fā)速度控制指令。接下來的width，height，resolution定義代價地圖的大小與分辨率。transform_tolerance參數(shù)定義轉(zhuǎn)換的允許延遲時間。之后的參數(shù)定義了機(jī)器人本體的最大速度、最小速度、最大加速度等速度屬性。

在此所仿真的是兩輪差速運(yùn)動機(jī)器人，max_vel_y的方向速度定義0，速度屬性參數(shù)應(yīng)該根據(jù)機(jī)器人本體的特性進(jìn)行合理的配置。

4 仿真驗(yàn)證

move_base軟件包參數(shù)完成配置后，需要編寫launch啟動文件，啟動move_base節(jié)點(diǎn)，launch文件的編寫規(guī)則可以參考文獻(xiàn)[6]。在此，仿真環(huán)境為ROS-indigo版本，操作系統(tǒng)為ubuntu14.04，仿真器選用stdr_simulator。

首先需要啟動stdr_simulator仿真器。通過編寫launch文件啟動gmapping節(jié)點(diǎn)，控制機(jī)器人在環(huán)境中移動以實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境地圖的構(gòu)建，使用ROS提供的map_server工具保存gmapping創(chuàng)建的地圖。

模擬環(huán)境如圖4所示。使用gmapping所構(gòu)建的地圖如圖5所示。

圖4 仿真環(huán)境Fig.4 Simulation environment

圖5 室內(nèi)地圖Fig.5 Indoor map

在自主導(dǎo)航仿真環(huán)境中，仿真的過程如下：先啟動stdr_simulator仿真器；通過編寫的launch文件啟動move_base節(jié)點(diǎn)與amcl節(jié)點(diǎn)；打開ROS提供的可視化調(diào)試工具rviz，在rviz中點(diǎn)擊2D Nav Goal。此時，機(jī)器人便會在創(chuàng)建的地圖上進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，并開啟自主導(dǎo)航。當(dāng)遇到障礙物時，機(jī)器人通過局部路徑規(guī)劃進(jìn)行局部避障。其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真實(shí)現(xiàn)效果Fig.6 Simulation effect

5 結(jié)語

充分利用ROS提供的導(dǎo)航功能包集，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)，在stdr_simulator仿真環(huán)境下對自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于ROS的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，可以有效地滿足移動機(jī)器人在室內(nèi)自主導(dǎo)航的需求。針對ROS的特點(diǎn)，后續(xù)工作通過設(shè)計(jì)機(jī)器人驅(qū)動節(jié)點(diǎn)與激光雷達(dá)驅(qū)動節(jié)點(diǎn)，便可以實(shí)現(xiàn)將自主導(dǎo)航系統(tǒng)部署在真實(shí)的移動機(jī)器人。