74、机器人仿真与代码共享：USARSim/ROS及FUmanoids代码发布解析

机器人仿真与代码共享：USARSim/ROS及FUmanoids代码发布解析

在机器人研究与开发领域，仿真系统和代码共享起着至关重要的作用。本文将介绍USARSim/ROS的集成以及FUmanoids团队的代码发布，探讨它们在机器人开发中的应用和优势。

1. USARSim与ROS框架概述

1.1 USARSim框架

USARSim是基于Epic Games的Unreal Developers Kit（UDK）的高保真物理模拟系统。它利用PhysX物理引擎和高质量的3D渲染工具，创建了一个逼真的模拟环境，为机器人系统提供了实体和环境支持。当前版本的USARSim包含各种环境模型、商业和实验机器人模型以及传感器模型。通过在游戏引擎上构建模拟，实现了低成本的高保真模拟。

USARSim最初基于USAR领域的模拟环境，创建了逼真的灾难场景和机器人测试方法。此后，它在全球范围内得到广泛应用，开发了更多用于不同目的的环境，如人机交互和教育游戏。此外，它还被广泛用于RoboCup虚拟机器人救援竞赛和IEEE虚拟制造与自动化挑战等。

以下是USARSim的一些应用场景示例：
| 应用场景 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 灾难救援模拟 | 创建逼真的灾难场景，测试机器人在复杂环境中的救援能力 |
| 机器人算法测试 | 在不同环境中测试机器人算法的性能 |
| 教育游戏 | 用于教育目的，让学生通过游戏学习机器人知识 |

1.2 ROS框架

ROS是一个开源框架，旨在为复杂的机器人硬件和软件配置提供抽象层。它提供了库和工具，帮助软件开发人员创建机器人应用程序，并在工业和学术界得到广泛应用。ROS的哲学目标包括点对点、基于工具、多语言、轻量级、免费和开源等。此外，由于ROS的完整源代码公开可用，使得软件的各级调试成为可能，促进了开发者与社区之间的合作。

ROS的一些应用示例包括Willow Garage的个人机器人计划、斯坦福大学的STAIR项目和欧洲的Nifti项目等。

2. ROS/USARSIM接口

USARSim通过TCP/IP套接字与托管机器人控制器的计算机进行通信。机器人通过初始化文件“生成”到游戏服务器上运行的模拟世界中，该文件控制传感器配置、电池寿命和模拟噪声模型等方面。每个模拟机器人建立一个套接字连接，用于传输命令和传感器数据，对于高容量传感器（如摄像头系统）则建立额外的单独套接字。

为了实现ROS与USARSim之间的低级循环，在ROS中创建了一个USARSim包，其中包含一个名为RosSim的节点。该节点发布ROS变换树tf和传感器消息，并接受平台和执行器运动命令。运行时，它提供了在USARSim中生成机器人的机制，并自动发现机器人的传感器、执行器和驱动配置，以提供必要的ROS主题。

以下是RosSim节点的工作流程：

graph LR
    A[启动USARSim环境] --> B[启动roscore]
    B --> C[启动usarsim.launch文件]
    C --> D[启动RosSim节点]
    D --> E[自动发现机器人配置]
    E --> F[发布ROS主题]
    F --> G[接受运动命令并转换]

2.1 传感器接口

ROS提供了丰富的传感器接口消息，RosSim节点努力将模拟传感器自动匹配到适当的ROS主题。目前，支持多种传感器，如地面真值、惯性导航、GPS、范围扫描仪、声纳、CO2和声学传感器等。通过USARSim的CONF和GEO消息查询传感器的存在，并自动将其包含在ROS使用的机器人变换树中，相应的传感器消息以RosSim节点接收传感器输出的速率发布。

2.2 移动机器人控制

通过ROS/USARSim接口对移动机器人的控制是通过ROS导航堆栈实现的。导航堆栈提供2D导航功能，根据里程计、传感器流和目标姿态规划避免碰撞的速度命令。路径规划在局部成本地图和全局成本地图两个层面进行。

以Kenaf机器人为例，其在救援联盟中表现出色，但由于其细长的矩形形状和翻转器，使用导航堆栈具有一定挑战性。在实验中，Kenaf机器人配备了安装在底座上的激光扫描仪。

以下是使用ROS/USARSim接口进行低级别导航的操作步骤：
1. 在USARSim中启动一个环境。
2. 运行 $roscore 命令，启动ROS核心。
3. 运行 $roslaunch usarsim usarsim.launch 命令，启动usarsim.launch文件，该文件包含连接游戏服务器的参数并启动RosSim节点。
4. 运行 $rosrun teleop twist keyboard teleop twist keyboard.py 命令，启动键盘遥控节点，通过计算机键盘向RosSim节点发送速度命令。
5. 运行 $rosrun gmapping slam gmapping scan:=lms200 odom frame:=odom 命令，启动slam gmapping节点，将激光扫描数据转换为里程计tf帧以构建地图。

为了保存生成的地图，可以使用 $rosrun map server map saver 命令。

高级导航方面，一些团队正在通过结合现有的ROS算法和他们研究所的算法来构建高级导航软件。这些团队进行同时定位和地图构建以生成在线地图，并使用这些地图规划路径（例如使用RRT算法），以实现自主导航替代遥控操作。

3. FUmanoids代码发布

3.1 动机

在RoboCup联赛中，团队之间的代码重用和共享是联赛发展的重要因素。在标准平台联赛（SPL）中，由于各团队使用相同的机器人，代码共享较为容易，促进了联赛规则向2050年目标的推进。然而，在人形机器人联赛（HL）中，团队通常自行构建或修改机器人平台，软件与特定硬件平台紧密相关，导致团队之间的软件兼容性差，严重减缓了联赛的发展。

为了促进HL的发展，柏林联合 - FUmanoids团队决定发布他们的代码。

3.2 团队历史

柏林联合 - FUmanoids团队自2007年以来一直参加人形机器人儿童组联赛。2010年，该团队与SPL团队Nao Team Humboldt合作，形成了多联赛联合研究小组柏林联合。团队最初使用商业可用的机器人平台，2008年对其进行了轻微修改，2009年完全替换为完全定制的机器人。此后，团队设计了多种机器人模型，并在RoboCup比赛中取得了优异成绩。

团队的比赛成绩如下：
| 年份 | 比赛成绩 |
| ---- | ---- |
| 2007年 | 获得第3名 |
| 2009年 | 获得亚军 |
| 2010年 | 获得亚军 |
| 2011年 | 获得第4名 |

3.3 当前代码发布

团队的代码发布包括FUmanoid和FUremote的源代码。FUmanoid是运行在机器人上的控制软件，其核心是由柏林联合 - NaoTH开发的模块化框架，该框架作为柏林联合框架的一部分，包括硬件和操作系统抽象以及一些服务类。目前的代码发布中，柏林联合框架尚未分离，但可以在线获取独立版本。

利用这两个框架，分离为认知和运动模块的模块负责处理机器人特定任务。FUmanoid的源代码经过多年的开发，逐渐从高度特定于团队机器人的代码转变为更通用的方法，使得柏林联合 - 赛车队能够将其作为自主遥控车的基础软件。此外，柏林联合框架还将用于另外两个机器人，即四轴飞行器和参加DLR太空机器人杯的机器人，支持项目间的代码和知识交流。

以下是FUmanoid代码的一些特点：
| 特点 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 模块化设计 | 便于代码的维护和扩展 |
| 硬件抽象 | 提高代码的通用性和可移植性 |
| 认知和运动模块分离 | 使机器人的决策和执行更加清晰 |

通过以上介绍，我们可以看到USARSim/ROS的集成以及FUmanoids团队的代码发布为机器人研究和开发提供了强大的支持。USARSim/ROS的集成使得机器人在模拟环境中的开发和测试更加高效，而FUmanoids团队的代码发布则促进了人形机器人联赛中团队之间的合作和发展。未来，随着技术的不断进步，这些工具和代码将在机器人领域发挥更大的作用。

机器人仿真与代码共享：USARSim/ROS及FUmanoids代码发布解析

4. FUremote调试与分析工具

FUremote是一个Java应用程序，主要负责数据显示、调试以及许多其他额外任务。它与FUmanoid紧密配合，为开发者提供了直观且强大的调试和分析手段。

FUremote的主要功能如下：
| 功能 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 数据显示 | 实时展示机器人的各种传感器数据、状态信息等，帮助开发者直观了解机器人的运行情况。 |
| 调试功能 | 支持对机器人控制软件的调试，例如设置断点、单步执行等，方便开发者定位和解决问题。 |
| 额外任务处理 | 可以执行一些额外的任务，如参数调整、日志记录等，提高开发效率。 |

通过FUremote，开发者可以在不直接操作机器人的情况下，对机器人的运行状态进行全面监控和调试，大大提高了开发的便利性和效率。

5. 代码发布的使用与结论

5.1 代码发布的使用

对于新加入RoboCup人形机器人联赛的团队或者对机器人开发感兴趣的开发者来说，FUmanoids团队的代码发布提供了一个很好的起点。以下是使用该代码发布的一般步骤：
1. 下载代码 ：从团队的官方网站下载最新的代码发布版本。
2. 环境搭建 ：根据代码发布中的文档，搭建相应的开发环境，包括安装必要的软件和库。
3. 代码配置 ：根据自己的机器人平台和需求，对代码进行必要的配置，例如修改传感器参数、调整运动控制算法等。
4. 编译和运行 ：使用合适的编译器对代码进行编译，并将编译后的程序部署到机器人上运行。
5. 调试和优化 ：使用FUremote等工具对机器人的运行情况进行调试和优化，不断改进机器人的性能。

5.2 结论

USARSim/ROS的集成以及FUmanoids团队的代码发布在机器人研究和开发领域具有重要的意义。USARSim/ROS的集成使得开发者能够在逼真的模拟环境中对机器人进行开发和测试，大大提高了开发效率和质量。而FUmanoids团队的代码发布则为RoboCup人形机器人联赛的发展注入了新的活力，促进了团队之间的合作和技术交流。

然而，目前仍然存在一些需要进一步改进的地方。例如，对于腿部机器人和飞行机器人的控制接口还需要进一步完善，以支持更多类型的机器人。此外，需要将所有传感器套件的USARSim接口进行封装，使其能够在ROS环境中得到更好的支持。

展望未来，随着机器人技术的不断发展，USARSim/ROS的集成和FUmanoids团队的代码发布有望在更多领域得到应用。例如，在DARPA机器人挑战赛等大型赛事中，基于ROS框架的技术将发挥重要作用，而RoboCup联赛也可以从这些赛事中汲取经验，推动自身的发展。同时，随着代码共享和合作的不断深入，机器人技术将不断取得新的突破，为人类社会带来更多的便利和价值。

graph LR
    A[下载代码] --> B[环境搭建]
    B --> C[代码配置]
    C --> D[编译和运行]
    D --> E[调试和优化]

综上所述，USARSim/ROS的集成和FUmanoids团队的代码发布为机器人研究和开发提供了强大的支持和广阔的发展空间。我们期待在未来看到更多基于这些技术的创新应用和成果。