机器人入门（五）—— 仿真环境中操作TurtleBot

进行实操之前，先准备环境

$ sudo apt install ros-kinetic-turtlebot ros-kinetic-turtlebot-apps ros-kinetic-turtlebot-interactions ros-kinetic-turtlebot-simulator ros-kinetic-kobuki-ftdi ros-kinetic-turtlebot-gazebo

一、实操

1.1 查看姿态信息

环境准备好后，执行以下命令启动

$ roslaunch turtlebot_gazebo turtlebot_world.launch

可以看见以下效果，视角不舒服的话，就按Ctrl+Shift+鼠标左键调整调整至你喜欢的视角，并通过滚轮缩放大小。

按如下顺序点击，TurtleBot将被一个白色框线框住，并可以查看姿态信息

也可以用以下命令，打印出mobile_base的姿态信息，注意到，由于车应该是放置在水平面上的，position.z的值本应该是0，这里却是一串-0.00113074128666的小数，原因是什么呢？是ROS的缺陷吗？//@TODO，此问题待解答，然后看到orientation的x,y,z,w，这被称作四元数(quaternion)，用来表示三维空间里的旋转，关于四元数如何表示三维空间里的旋转，见《二维空间与三维空间的姿态表示法》

$ rosservice call gazebo/get_model_state '{model_name: mobile_base}'
header: seq: 1stamp: secs: 1945nsecs: 170000000frame_id: ''
pose: position: x: 1.97484093771y: 0.0147819206239z: -0.00113074128666orientation: x: -0.00134519341326y: -0.00376571136568z: -0.348703846748w: 0.937224432639
twist: linear: x: -0.000155242355429y: -0.000224370086231z: -4.28258194336e-06angular: x: -0.0023805996017y: 0.00191483013878z: 0.000121453647707
success: True
status_message: "GetModelState: got properties"

1.2 控制turtlebot移动的三种方式

1.2.1 命令行发布指令

可以看到，这个名字叫做mobile_base的link(连接刚体)，根据之前操作小乌龟的文章，我们要先找到有哪些node在跑，然后再找到对应的有哪些topic在publish和被subscribe，去控制mobile_base，开始，我们干脆看图说话。

rosrun rqt_graph rqt_graph

目的很明确，要找的node就应该是/gazebo了，我原本以为，这里会有一个结点应该叫mobile_base，但想了想，它应该被整个包含在/gazebonode环境里面了，所以/gazebo这个node还是有非常多子结构，不然一个孤零零的/gazebo，怎么完成这么多物体的操作呢？

$ rosnode list
/gazebo #忽略
/gazebo_gui #忽略
/laserscan_nodelet_manager
/mobile_base_nodelet_manager #可能是
/robot_state_publisher 
/rosout #忽略

继续，信息有点多，但是我们还是只需要看Subscriptions这个，服从命令听指挥是优良作风，看名字的话，在上面rqt_graph图中所见到的的topic正是/mobile_base/commands/velocity，哦这里连message的数据类型都给出来了是geometry_msgs/Twist，

$ rosnode info /gazebo
--------------------------------------------------------------------------------
Node [/gazebo]
Publications: * /camera/depth/camera_info [sensor_msgs/CameraInfo]* /camera/depth/image_raw [sensor_msgs/Image]
...
...Subscriptions: * /clock [rosgraph_msgs/Clock]* /gazebo/set_link_state [unknown type]* /gazebo/set_model_state [unknown type]* /mobile_base/commands/motor_power [unknown type]* /mobile_base/commands/reset_odometry [unknown type]* /mobile_base/commands/velocity [geometry_msgs/Twist]
...
...

那么就有的放矢了，发布命令

$ rostopic pub -r 10 /mobile_base/commands/velocity /geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 0.2}}'

1.2.2 键盘操控

执行下面的命令，可以用键盘操作

$ roslaunch turtlebot_teleop keyboard_teleop.launch

但这个package是turtlebot_teleop有什么说法和依据吗？为什么执行的是它，答案是没有，代码开发时的设计如此，来看最新的rqt_graph，所以这建立在你非常了解你所要运行的仿真环境基础上，才能做到用键盘操作，不然琢磨半天也不会知道如何使用键盘去操作这个turtlebot。

1.2.3 Python脚本控制

西天取经，孙悟空总算是要拿到他的如意金箍棒了，有了程序，才叫编程，有了金箍棒，孙悟空才能大闹天宫，可孙悟空终会有取到经书的一刻，那时，不只是涅盘成佛，也是大圣的寂灭。
创建一份ControlTurtleBot.py，内容为:

#!/usr/bin/env python
# Execute as a python script  
# Set linear and angular values of TurtleBot's speed and turning.
import rospy      # Needed to create a ROS node
from geometry_msgs.msg import Twist    # Message that moves baseclass ControlTurtleBot():def __init__(self):# ControlTurtleBot is the name of the node sent to the #masterrospy.init_node('ControlTurtleBot', anonymous=False)# Message to screenrospy.loginfo("Press CTRL+c to stop TurtleBot")# Keys CNTL + c will stop script #这里的self.shutdown是一个函数地址rospy.on_shutdown(self.shutdown)# Publisher will send Twist message on topic cmd_vel_mux/input/naviself.cmd_vel = rospy.Publisher('cmd_vel_mux/input/navi',Twist, queue_size=10)# TurtleBot will receive the message 10 times per second.rate = rospy.Rate(10);# 10 Hz is fine as long as the processing does not exceed#   1/10 second.# Twist is geometry_msgs for linear and angular velocitymove_cmd = Twist()move_cmd.linear.x = 0.3# Modify this value to change speed# Turn at 0 radians/smove_cmd.angular.z = 0# Modify this value to cause rotation rad/s# Loop and TurtleBot will move until you type CNTL+cwhile not rospy.is_shutdown():# publish Twist values to TurtleBot node /cmd_vel_muxself.cmd_vel.publish(move_cmd)# wait for 0.1 seconds (10 HZ) and publish againrate.sleep()def shutdown(self):# You can stop turtlebot by publishing an empty Twist# messagerospy.loginfo("Stopping TurtleBot")self.cmd_vel.publish(Twist())# Give TurtleBot time to stoprospy.sleep(1)if __name__ == '__main__':try:ControlTurtleBot()except:rospy.loginfo("End of the trip for TurtleBot")

然后赋予执行权限，并用python解释执行，然后小车就会沿着它自身坐标系的x轴方向一直前进。

$ chmod +x ControlTurtleBot.py
$ python ControlTurtleBot.py

1.2.4 使用rqt工具界面，发布运动指令

rqt = ROS Qt GUI Toolkit，

$ rqt

然后在插件选项栏里，将Message Publisher与Topic Monitor调出来

并选择对应的Topic和Message Type，设置数据值，然后勾选发布
另外rqt这个工具可以让你跟踪发布的message，一旦TurtleBot的行动不是你预期的那样，你可以进行debug排查原因。

二、里程计(odometry)

这个odometry是用来估计mobile robot当前所处位置，和起点之间的距离和姿态变化，当mobile robot走了一段较长的距离时，这个数据会变得不准，原因可能是车轮的直径参数有误，或者路不平导致车轮的转换器输出了不准确的数据，书上给了一篇IEEE Transactions on Robotics and Automation(IEEE TRO)收录的论文，对这个问题有较为详尽的讨论 Measurement and Correction of Systematic Odometry Errors in Mobile Robots.pdf，这篇文章还讨论了轴距(wheelbase)的影响。
这是一作老头子的个人主页 Johann Borenstein。

首先，查看/odom这个topic使用的message，结果显示是nav_msgs/Odometry，再看nav_msgs/Odometry的数据格式

$ rostopic type /odom
nav_msgs/Odometry
$ rosmsg show nav_msgs/Odometry
std_msgs/Header headeruint32 seqtime stampstring frame_id
string child_frame_id
geometry_msgs/PoseWithCovariance posegeometry_msgs/Pose posegeometry_msgs/Point positionfloat64 xfloat64 yfloat64 zgeometry_msgs/Quaternion orientationfloat64 xfloat64 yfloat64 zfloat64 wfloat64[36] covariance
geometry_msgs/TwistWithCovariance twistgeometry_msgs/Twist twistgeometry_msgs/Vector3 linearfloat64 xfloat64 yfloat64 zgeometry_msgs/Vector3 angularfloat64 xfloat64 yfloat64 zfloat64[36] covariance

用以下命令可以使turtlebot归位

# 1.查找归位topic对应的message
$ rostopic type /mobile_base/commands/reset_odometry 
std_msgs/Empty
# 2.命令mobile_base归位
$ rostopic pub /mobile_base/commands/reset_odometry std_msgs/Empty

$ rostopic echo /mobile_base/sensors/imu_data

使用以下命令，分别把gazebo和rviz启动起来

$ roslaunch turtlebot_gazebo turtlebot_world.launch
$ roslaunch turtlebot_rviz_launchers view_robot.launch

按如下方式勾选
就会出现一根红色箭头，将指明turtlebot的前进方向

然后发布运动命令

$ rostopic pub -r 10 /cmd_vel_mux/input/teleop \geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 0.1, y: 0, z: 0}, angular: {x: 0, y: 0, z: -0.5}}'
# 效果与上面的一样，
$ rostopic pub -r 10 /mobile_base/commands/velocity \geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 0.1, y: 0, z: 0}, angular: {x: 0, y: 0, z: -0.5}}'

TurtleBot3 仿真

安装环境

$ sudo apt-get install ros-kinetic-joy ros-kinetic-teleop-twist-joy ros-kinetic-teleop-twist-keyboard ros-kinetic-laser-proc ros-kinetic-rgbd-launch ros-kinetic-depthimage-to-laserscan ros-kinetic-rosserial-arduino ros-kinetic-rosserial-python ros-kinetic-rosserial-server ros-kinetic-rosserial-client ros-kinetic-rosserial-msgs ros-kinetic-amcl ros-kinetic-map-server ros-kinetic-move-base ros-kinetic-urdf ros-kinetic-xacro ros-kinetic-compressed-image-transport ros-kinetic-rqt-image-view ros-kinetic-gmapping ros-kinetic-navigation

然后将给turtlebot3远程计算机开发的ROS catkin 软件包代码拉到本地，并进行编译

$ cd ~/catkin_ws/src/
$ git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_simulations.git
$ git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_msgs.git
$ git clone https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3.git
$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make

用以下命令，去指定model，这样再启动rviz环境下看到的就是burger这个机器人，TurtleBot 3 Burger [US]

$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ roslaunch turtlebot3_fake turtlebot3_fake.launch

然后在新的Terminal，就可以用键盘控制这个机器人了

$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

关闭刚刚打开rviz的终端，然后是gazebo环境的仿真，你应该会看到如下画面

$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch

然后再打开一个Terminal，执行下面的命令，你就能操控turtlebot3在这个仿真环境里行驶了

$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

并且turtlebot3还可以自动行驶，关掉执行turtlebot3_teleop的终端，在新的Terminal里执行下面的命令

$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_simulation.launch

来看下为什么turtlebot3不撞墙，新建一个Terminal并执行

$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_gazebo_rviz.launch

发现有激光雷达的扫描数据，红点连起来就是激光雷达的描边
书本的第三章后半部分就在写硬件部分的实操了，第三章就到这里