Cartographer安装测试与模块开发(二)--Gazebo的仿真环境搭建与问题调试

前言

通过之前的文章已经安装好了Cartographer，也运行了官方的Demo，接下来就是连接自己的设备进行使用了，实车和仿真都是一种测试使用方式，我个人认为实车部署要简单一些，最起码不会遇到各种各样的Bug，也会省很多仿真参数设置花掉的时间。

这篇文章就介绍下Gazebo的仿真环境搭建过程，由于我不需要使用仿真环境做一些复杂的实现，只是想利用这个环境做一些模块功能开发测试，所以这一环节不会展开太细，仅仅够用就行，接下来开始环境搭建，遇到的问题随搭建过程介绍并给出解决办法。

移动机器人的准备

该部分参考了文章：Ubuntu20.04下Turtlebot3机器人仿真_turtlebot3功能包-优快云博客

在移动机器人准备这个环节，由于我的工作中心不在这里，所以并不想自己搭建一个机器人，采用了网上的功能包直接实现。

下载的第一个功能包，原谅我忘记了下载的功能包叫什么名字了，这里只介绍遇到的问题吧。

问题一：小车工作正常，控制不正常，小车前进时出现顿挫，且小车出现翘头-落下、翘头-落下的循环。

这个问题应该是小车的urdf参数设置不合理，或者速度不合适导致的，我的解决方法是在小车的urdf文件内将属性变量mass质量值改大（只要我够重就够稳，杜绝力大砖飞），虽然方法很糙但是看起来管用，各位遇到同样的问题也可以试一下减小速度。

但是改mass方法不一定百分百可行，我在下文Turtlebot3调整时使用这个方法，好像是因为太沉了小车基本走不动了...

问题二：小车工作正常，Gazebo显示正常，传感器Gazebo可视化数据正常，但是没有Lasercan、IMU传感器数据的话题发布

这个问题最终没有得到解决，我检查了Launch、urdf等文件，均没有发现错误，进一步检查太浪费时间，果断更换一个机器人功能包，也确实可以解决这个问题.....

接下来就是目前使用功能正常，但是不太好用的机器人功能包：Turtlebot3

部署过程可以参考上述提到的文章，文章中的方法可以让功能包内部结构简洁，防止一些冗余文件干扰视线。

具体小机器人的部署我在这里就不多赘述了（主要是懒得配图了），参考文章写的很清晰，跟随参考文章完成第6步，实现小机器的运动就可以了。

至于Gazebo的World文件，我不希望使用别人的World，我需要自己创建一个供自己测试的World环境，设置自己的实验条件，比如更大的测试空间、特别的结构等等。

搭建世界

接下来简单介绍如何利用gazebo搭建一个简单的地图：

首先在命令行启动gazebo：

gazebo

启动后会自动生成一个空世界，gazebo的操作个人感觉非常不舒服，不如完全Blender的视角转换逻辑，他的操作逻辑是以点击的位置为操作原点，左键单击按住平移，滚轮缩放，右键按住也是缩放，中键按住转换视角。

因为我们只需要简单的地图，所以点击菜单栏Edit->Build Editor打开建筑建筑模式。

如图，上半部分为俯视图，下半区域为3D视图，点击左侧的元素可以插入，如点击墙体wall，在上面的俯视图给定起点终点就可以生成一个墙体(注意俯视图左下角有比例尺)：

当然，如果我们有平面图也可以插入作为参考，点击左侧的Import按钮，在弹出页面选择你的本地照片后点击Next：

接下来是选择图像尺度，比如你希望图像上的一面墙是10m或者100m，在尺度选择界面选择一个起点和终点，并给出你希望这段长度的实际距离值，程序会自动帮你把图像缩放到制定大小：

点击OK后图像会插入到俯视图中，并且尺寸为规定尺寸，可以根据这个图绘制，绘制完成后点击File->save as。选择合适的位置进行保存，保存后点击File->Exit Builder Editor进入世界编辑模式。

在世界里应该会出现你建立的模型，如果没有也不要紧，在左侧找到Insert按钮，在下面的选项中找到你建立的模型，单击，然后在3D视图中选择合适位置再次单击就置入到世界里面了。如果Insert下面没有你的模型，可以点击Add Path添加你保存模型的路径，就可以了。

接下来点击File->Save World As保存世界文件即可。

注意保存世界文件的时候，软件不会自动添加.world文件后缀，需要自己手动写上。

接下来可以在启动机器人的Launch文件中将加载的世界替换为自己创建的世界。

问题三：在后续建图过程中，会发现world中某个部件在缓慢抖动加移动

这个问题在我新建完模型后，又Insert了一个圆柱到世界中，并利用这个保存的地图文件进行建图测试时发现，建图效果稀烂，圆柱位置根本对不上，结果仔细一看好家伙Gazebo里面圆柱在缓慢移动。

这个问题没有找到具体原因，但是一个治标不治本的方法是不要将多个模型载入world中，直接在建筑模式完成完整模型搭建，然后世界中只有这一个模型保存后就不存在某个部件漂移了。

至于会不会发生整个模型漂走的情况，目前我是没有遇到。

至此，我们获得了一个可以发出传感器话题，可以受我们控制的小机器人，并且位于指定的环境里。

但是不得不说虽然能用但是控制起来挺困难，在80*80场景下，速度太快会不受控制，速度太慢太浪费时间，每次启动和停止的时候小车总是会莫名其妙转动一个角度，确实用这别扭，还好建图只需要一次，要不然也太折磨了。

但是！

事情还没有结束，目前的小机器人虽然看着状态不错，但是接入Cartographer多半会遇到各种各样的Bug，我在这里汇总一下我遇到的问题：

问题四：激光雷达闪烁或者缺角度

在介绍这个问题之前就需要先介绍下硬件参数设置

turtlebot3_waffle_pi.gazebo.xacro文件

  <gazebo reference="base_scan">
    <material>Gazebo/FlatBlack</material>
    <sensor type="ray" name="lds_lfcd_sensor">
      <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
      <visualize>true</visualize>      在Gazebo中是否可视化雷达探测线
      <update_rate>50</update_rate>    雷达发布频率
      <ray>
        <scan>
          <horizontal>
            <samples>360</samples>       采样点
            <resolution>1</resolution>     分辨率
            <min_angle>-3.1</min_angle>     最大最小角度
            <max_angle>3.1</max_angle>
          </horizontal>
        </scan>
        <range>
          <min>0.5</min>        最小探测范围
          <max>30</max>            最大探测范围
          <resolution>0.015</resolution>
        </range>
        <noise>
          <type>gaussian</type>
          <mean>0.0</mean>
          <stddev>0.001</stddev>
        </noise>
      </ray>
      <plugin name="gazebo_ros_lds_lfcd_controller" filename="libgazebo_ros_laser.so">
        <topicName>scan</topicName>
        <frameName>base_scan</frameName>    雷达坐标系名称
      </plugin>
    </sensor>
  </gazebo>

需要首先将 <visualize>true</visualize>标签置为True可视化雷达探测线来暴露问题。

部分小机器人的正后方出现一个缺角，少了一部分扫描范围，遇到这种情况检查<min_angle>-3.1</min_angle>     <max_angle>3.1</max_angle>

如果两个参数为3，那么可能有较大缺角，将其值修改即可，数值越趋近π，缺口越小。

如果不是该原因导致的激光角度缺失，检查机器人结构，是否是因为机器人结构造成的结构遮挡。

如果出现部分激光束闪烁，时有时无，修改雷达的最大最小探测范围，增大最小探测范围解决了我的闪烁问题。

如果激光束在小车移动过程中出现大范围变化，检查机器人在运动过程中是否有剧烈变化，如前面提到的翘头等情况。

问题五：TF错误

检查一下整个机器人launch启动后的TF是否正常，odom是否存在，TF不正常的话会影响后面的建图流程。

可以使用以下命令在机器人启动时打印TF树：

rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree 

默认的坐标系结构已经记不清了，但是印象中该功能包采用的基坐标系为base_footprint，而且没有发布base_scan到base_footprint的tf变换，打印的TF应该为odom->base_footprint

在只跑Gazebo时这不会引起报错，但是引入cartographer时，其launch文件加载了一个urdf文件，在某奇妙位置base_link坐标系可能会与Gazebo中的base_footprint产生冲突报错。

所谓为了省事，在Gazebo的launch文件中发布两个静态TF变换强行对接结构，很糙但管用。

launch文件加入的静态变化为：

<node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="base_link_to_base_scan" args="0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 base_link base_scan" />
<node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="base_link_to_base_footprint" args="0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 base_link base_footprint" />

并将上文提到的xacro文件的第68行：<robotBaseFrame>修改为base_link。

这样启动gazebo仿真节点后的TF树就变成了：

接下来就准备将cartographer接入仿真环境进行建图了。