ROS2极简总结-导航简介-自定位

Posted zhangrelay

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了ROS2极简总结-导航简介-自定位相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

本节主要介绍导航所涉及的基础概念和一些相关内容。


参考:Navigation using ROS 2 - Introduction


机器人在环境中运动方向的路径规划要回答三个问题:

  • 我在哪?(Localization)
  • 我要去哪里?(Goal)
  • 我怎么走?(PathPlan)

如果要细分问题更多,就以此为基础吧。看如下:

Gazebo

 

Webots

 

ROS2的navigation2功能包,支持Linux、Windows和MacOS,并且适用于各类仿真环境如Gazebo、Webots等,同时支持多款真实机器人,最常用的是TurtleBot2和TurtleBot3。

Navigation

如何让机器人不再迷茫!!!


定位 

机器人定位

对于机器人导航而言, 在地图上定位机器人 (AMCL):

  • 无地图定位
  • 有地图定位

注意其差异性,通常为局部和全局,给定相对和绝对坐标。

无地图定位通常用于避障等任务,有地图定位通常为目标巡逻或区域覆盖。

区域覆盖

ROS2导航的主要内容:

  1. 定位
  2. 建图
  3. 路径规划 

定位常用方法:

  • 机器人如何感知自身移动
    • 使用自身传感器(轮编码器,IMU)=> 相对机器人位移
  • 观测外部环境感知自身移动
    • 使用外部感受器(激光雷达、摄像头、GPS)=> 绝对机器人姿态估计

从“我在哪里” -->“我到底在哪里?”

估计值与真实值的差异!!!

  • 传感器并不完美!(局部估计累积误差)
    • 自身感知传感器产生漂移 => 需要不同的来源和绝对值来补偿漂移
  • 感知环境需要时间!(绝对估计周期长)
    • 比较外部感受传感器数据形成地图很慢 => 需要自身传感器

 

上图可以更清晰描述这些概念。

讲到定位自然离不开坐标变换(TF)

 对于导航而言,通常关注以下要点:

TF名称(对应下图):

  • “map” - 地图环境原点(固定坐标系)
  • "odom" - 里程计的父级
  • "base_footprint" - 地图中机器人中心的投影(无高度)
  • “base_stabilized” - 添加关于机器人高度相对于地图 /odom 层的信息。
  • “base_link” - 机器人的中心

定位两个重要部分(以高速率可靠地完成TF坐标树需要传感器融合): 

相对位置估计:本体如何移动

  • 快速,但由于不确定性或漂移而导致误差。
  • 随着时间的推移给出位置变化
    • w.r.t. 初始点。
  • 来源:里程计、IMU 等...

绝对位置估计:观测外部环境

  • 速度慢,但不易出错。
  • 在地图中给出位置
    • w.r.t 固定坐标。
  • 来源:GPS、激光雷达等...

参考更新速率100hz

参考更新速率10hz

基础坐标变换树 

 

 

如果不用base_link,也可以是base_footprint。 取决于机器人和开发人员具体设定。

传感器融合

 

例如:robot_localization 功能包

  • 这是一个支持研究论文中的实验的功能包。
  • 通过使用卡尔曼滤波器的传感器融合提供 三维定位。
  • 可以组合大量和多种类型的传感器。
  • 实验显示了几种不同组合对定位精度的影响。

具体参考研究论文,多传感器融合,可以显著降低误差。


ROS2定位 -  AMCL

Navigation 2中定位的实现,类似ROS1 AMCL的接口

自适应蒙特卡罗定位:

  • - 概率 2D 定位 (X,Y,Θ)
  • - 粒子滤波(粒子是猜测位置姿态的向量)
  • - 对已知地图进行位置姿态跟踪
  • - 纠正里程计漂移

AMCL:

  • 估计从 map 到 base_link 的转换
  • 读取scan、TF、map 和初始姿势
  • 发布从 map 到 odom 的转换

 

定位-小结

  • 不要以赖单一传感器(需多传感器融合!!!)
  • 一定要注意坐标变换树(TF tree设置不合适会断开) 


 

 

 

以上是关于ROS2极简总结-导航简介-自定位的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

ROS2极简总结-SLAM

ROS2极简总结-Nav2-行为树

ROS2极简总结-Nav2-概述(中)控制器

ROS2极简总结-Nav2-概述(上)规划器

ROS2极简总结-核心概念

ROS2极简总结-新增概念