ROS专题—-导航功能包navigation基础汇总

资料来源ROS官网：http://wiki.ros.org/cn/navigation

概述

• 概念层面上讲，导航功能包集是相当简单的。 它从里程计和传感器数据流获取信息，并将速度命令发送给移动基站（比如你的机器人）。但是，想要在任意机器人上使用导航功能包集可能有点复杂。使用导航功能包集的先决条件是，机器人必须运行ROS，有一个tf变换树，使用正确的ROS Message types发布传感器数据。而且，我们需要在高层为一个具有一定形状和动力学特点的机器人配置导航功能包集。本手册指导配置一个典型的导航功能包集。

硬件需求

• 虽然导航功能包集被设计成尽可能的通用，在使用时仍然有三个主要的硬件限制：

1. 它是为差分驱动的完全约束的轮式机器人设计的。它假设移动基站受到理想的运动命令的控制并可实现预期的结果，命令的格式为：x速度分量，y速度分量，角速度(theta)分量。
2. 它需要在移动基站上安装一个平面二维激光。这个激光用于构建地图和定位。
3. 导航功能包集是为正方形的机器人开发的，所以方形或圆形的机器人将是性能最好的。 它也可以工作在任意形状和大小的机器人上，但是较大的矩形机器人将很难通过狭窄的空间，例如门道。

—-配置机器人的TF–—

Transform Configuration（变换配置）

许多ROS功能包，都要求利用tf软件库，以机器人识别的变换树的形式进行发布。抽象层面上，变换树其实就是一种“偏移”，代表了不同坐标系之间的变换和旋转。更具体点来说，设想一个简单的机器人，只有一个基本的移动机体和挂在机体上方的扫描仪。基于此，我们定义了两个坐标系：一个对应于机体中心点的坐标系，一个对应于扫描仪中心的坐标系。分别取名为“base_link”和“baser_laser”。关于坐标系的命名习惯，参考REP 105.

此时，可以假设，我们已经从传感器获取了一些数据，以一种代表了物体到扫描仪中心点的距离的形式给出。换句话说，我们已经有了一些“base_laser”坐标系的数据。现在，我们期望通过这些数据，来帮助机体避开物理世界的障碍物。成功的关键是，我们需要一种方式，把传感器扫描的数据，从“base_laser”坐标系转换到“base_link”坐标系中去。本质上，就是定义一种两个坐标系的“关系”。

为了定义这种关系，假设我们知道，传感器是挂在机体中心的前方10cm，高度20cm处。这就等于给了我们一种转换的偏移关系。具体来说，就是，从传感器到机体的坐标转换关系应该为(x:0.1m,y:0.0m, z:0.2m),相反的转换即是(x:-0.1m,y:0.0m,z:0.2m)。

我们可以选择去自己管理这种变换关系，意味着需要自己去保存，以及在需要的时候调用。但是，这种做法的缺陷即是随着坐标转换关系数量的增加，而愈加麻烦。幸运的是，我们也没有必要这么干。相反，我们利用tf定义了这么一种转换关系，那么就让它来帮我们管理这种转换关系吧。

利用tf来管理这种关系，我们需要把他们添加到转换树（transform tree）中。一方面来说，转换树中的每一个节点都对应着一类坐标系，节点之间的连线即是两个坐标相互转换的一种表示，一种从当前节点到子节点的转换表示。Tf利用树结构的方式，保证了两个坐标系之间的只存在单一的转换，同时假设节点之间的连线指向是从parent到child。

基于我们简单的例子，我们需要创建两个节点，一个“base_link”，一个是“base_laser”。为了定义两者的关系，首先，我们需要决定谁是parent，谁是child。时刻记得，由于tf假设所有的转换都是从parent到child的，因此谁是parent是有差别的。我们选择“base_link”坐标系作为parent，其他的传感器等，都是作为“器件”被添加进robot的，对于“base_link”和“base_laser”他们来说，是最适合的。这就意味着转换关系的表达式应该是(x:0.1m,y0.0m,z:0.2m)。关系的建立，在收到“base_laser”的数据到“base_link”的转换过程，就可以是简单的调用tf库即可完成。我们的机器人，就可以利用这些信息，在“base_link”坐标系中，就可以推理出传感器扫描出的数据，并可安全的规划路径和避障等工作。

Writing Code（代码编写）

希望上面的例子，一定程度上可以帮助大家理解tf。现在，我们可以建立通过代码来实现转换树。对于这个例子来说，前提是熟悉ROS，所以如果不熟悉，先预习下ROS Documentation吧。

假定，我们以上层来描述“base_laser”坐标系的点，来转换到”base_link”坐标系。首先，我们需要创建节点，来发布转换关系到ROS系统中。下一步，我们必须创建一个节点，来监听需要转换的数据，同时获取并转换。在某个目录创建一个源码包，同时命名“robot_setup_tf”。添加依赖包roscpp,tf,geometry_msgs。

至此，你必须运行上面的命令，当然你必须有必要的权限（例如，~/ros目录下，你可能在之前的文档中操作过这个目录）

Alternative in fuerte, groovy and hydro: there is a standard robot_setup_tf_tutorial package in the navigation_tutorialsstack. You may want to install by following (%YOUR_ROS_DISTRO% can be { fuerte, groovy } etc.):

Broadcasting a Transform（广播变换）

至此，我们已经创建了package。我们需要创建对于的节点，来实现广播任务base_laser->base_link。在robot_setup_tf包中，用你最喜欢的编辑器打开，然后将下面的代码粘贴到src/tf_broadcaster.cpp文件中去。

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来源：zhangrelay