<think>嗯，用户想用树莓派4B配置Ubuntu 20.04系统，然后搭载SG90舵机
和HC-SR04超声波传感器，通过ROS实现地图构建。首先，我需要理清楚整个流程的步骤，确保每个环节都正确无误。
首先，系统安装部分。树莓派4B通常用的是树莓派官方系统，但用户需要Ubuntu 20.04。我记得Ubuntu有专门为树莓派提供的版本，可能需要从官网下载镜像，然后烧录到SD卡。这里要注意的是，树莓派4B的架构是ARM64，所以必须选择对应的镜像。烧录完成后，首次启动可能需要通过
SSH连接，尤其是没有显示器的用户，可能需要配置网络。
接下来是ROS的安装。Ubuntu 20.04对应的ROS版本是Noetic，这是支持到2025年的版本。安装步骤大致是添加ROS仓库、安装完整版、初始化rosdep，然后配置环境变量。用户可能对ROS的依赖管理不太熟悉，所以需要详细说明每个命令，特别是rosdep init
和update可能会遇到的网络问题，可能需要更换源或者
使用代理。
然后是硬件连接部分。SG90舵机需要PWM控制，而HC-SR04超声波模块通常
使用GPIO引脚触发
和回波。树莓派的GPIO引脚分配需要正确，可能要通过GPIO库来控制。这里要注意的是，树莓派的Ubuntu系统可能默认没有安装GPIO库，比如RPi.GPIO或者pigpio，需要用户手动安装。此外，舵机的电压需求，树莓派的GPIO输出是3.3V，而SG90可能需要5V，可能需要外部电源，否则可能会供电不足，导致舵机无法正常工作或者损坏树莓派。
接下来是创建ROS包
和编写驱动节点。需要创建一个工作空间，然后
使用catkin_create_pkg来生成包，依赖可能包括roscpp、rospy、std_msgs、sensor_msgs等。驱动节点需要发布超声波测量的距离数据，以及控制舵机旋转。这里可能需要用到Python的RPi.GPIO库，或者C++的版本，但Python可能更容易上手。需要注意的是，舵机的角度控制，SG90的PWM周期是20ms，脉冲宽度对应0.5ms到2.5ms，对应0到180度。所以需要计算占空比。而超声波模块的触发信号需要至少10us的高电平，然后测量回波高电平的时间，计算距离。这些时序控制需要精确，可能要用到time模块或者ros的定时器。
SLAM部分，ROS中常用的激光雷达SLAM算法如gmapping，但用户用的是超声波，可能需要将超声波数据转换成激光雷达的格式，比如sensor_msgs/LaserScan。这时候需要编写一个节点，将超声波在不同角度下的距离数据组合成LaserScan消息，可能需要舵机旋转扫描，同时记录每个角度对应的距离。这里舵机的转动步进角度需要合理设置，比如每5度停一次，测量一次距离，这样模拟激光雷达的扫描。但超声波的数据点较少，构建地图的效果可能不如激光雷达好，需要用户有心理预期。
最后是启动
和测试，需要编写launch文件，同时启动驱动节点
和SLAM节点，然后保存地图。可能需要提醒用户调整参数，比如扫描频率、角度分辨率等，以优化地图构建效果。
潜在的问题可能包括：硬件连接错误、GPIO权限问题（需要用户加入gpio组）、PWM信号不稳定、超声波模块的测量误差、SLAM算法对稀疏数据的处理不佳等。需要指导用户如何排查这些问题，比如检查接线、
使用rostopic echo查看数据是否正常，调整舵机转速
和测量间隔等。
另外，用户可能没有提到的是供电问题，同时驱动舵机
和超声波可能需要较大的电流，树莓派的USB端口可能无法提供足够电力，建议
使用外部电源，尤其是舵机工作时可能会引起电压波动，导致树莓派重启。需要提醒用户
使用稳压电源或者独立的5V电源给舵机供电，同时共地。
总结下来，步骤大致是：安装系统→安装ROS→连接硬件→编写驱动节点→转换数据格式→运行SLAM→测试调整。需要分步骤详细说明，确保用户能逐步操作，并注意可能遇到的
坑。</think>以下为树莓派4B配置Ubuntu 20.04系统，结合SG90舵机
和HC-SR04超声波模块实现ROS地图构建的分步指南：
---
### **一、系统环境搭建**
#### 1. 安装Ubuntu 20.04 Server
- 下载镜像：从[Ubuntu Raspberry Pi镜像库](https://ubuntu.com/
download/raspberry-pi)获取`ubuntu-20.04.5-preinstalled-server-arm64+raspi.img.xz`
- 烧录系统：
使用`Raspberry Pi Imager`或`dd`命令写入SD卡
- 首次启动后通过
SSH连接：
```bash
ssh ubuntu@<树莓派IP> # 默认密码为"ubuntu"，需首次登录后修改
```
#### 2. 安装ROS Noetic
```bash
su
do sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu focal main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
su
do apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
su
do apt update
su
do apt install ros-noetic-desktop-full
echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
su
do rosdep init && rosdep update
```
---
### **二、硬件连接配置**
#### 1. 引脚分配
| 模块 | 树莓派引脚 | 说明 |
|-------------|------------|----------------------|
| HC-SR04 Trig| GPIO17 | 超声波触发信号 |
| HC-SR04 Echo| GPIO27 | 超声波回波信号 |
| SG90 PWM | GPIO18 | 舵机控制信号(PWM) |
| SG90 GND | GND | 共用接地 |
| SG90 VCC | 外部5V电源 | 避免树莓派供电不足 |
> 📌 注意：建议为舵机单独供电，树莓派GPIO最大输出电流为16mA
---
### **三、ROS驱动开发**
#### 1. 创建工作空间
```bash
mkdir -p ~/ultrasonic_ws/src
cd ~/ultrasonic_ws/src
catkin_create_pkg ultrasonic_driver rospy std_msgs sensor_msgs
```
#### 2. 编写舵机控制节点 `servo_control.py`
```python
#!/usr/bin/env python3
import rospy
from std_msgs.msg import Float32
import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)
pwm = GPIO.PWM(18, 50) # 50Hz PWM频率
pwm.start(0)
def set_angle(angle):
duty = angle / 18 + 2.5 # SG90角度转占空比公式
pwm.ChangeDutyCycle(duty)
rospy.sleep(0.5)
if __name__ == '__main__':
rospy.init_node('servo_controller')
for angle in range(0, 181, 10): # 0-180度步进扫描
set_angle(angle)
```
#### 3. 编写超声波驱动节点 `ultrasonic_node.py`
```python
#!/usr/bin/env python3
import rospy
from sensor_msgs.msg import Range
import RPi.GPIO as GPIO
import time
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
TRIG = 17
ECHO = 27
def get_distance():
GPIO.output(TRIG, True)
time.sleep(0.00001)
GPIO.output(TRIG, False)
while GPIO.input(ECHO) == 0:
pulse_start = time.time()
while GPIO.input(ECHO) == 1:
pulse_end = time.time()
return (pulse_end - pulse_start) * 17150 # 计算距离(cm)
if __name__ == '__main__':
rospy.init_node('ultrasonic_sensor')
pub = rospy.Publisher('ultrasonic_data', Range, queue_size=10)
msg = Range(radiation_type=Range.ULTRASOUND, field_of_view=0.26)
while not rospy.is_shut
down():
msg.range = get_distance()
pub.publish(msg)
rospy.sleep(0.1)
```
---
### **四、SLAM实现**
#### 1. 安装必要功能包
```bash
su
do apt install ros-noetic-gmapping ros-noetic-map-server
```
#### 2. 创建激光数据转换节点
将超声波数据转换为`LaserScan`格式：
```python
# laserscan_converter.py
from sensor_msgs.msg import LaserScan
import rospy
class ScanConverter:
def __init__(self):
self.scan_pub = rospy.Publisher('/scan', LaserScan, queue_size=10)
self.current_angle = 0
def ultrasonic_callback(self, data):
scan = LaserScan()
scan.header.stamp = rospy.Time.now()
scan.header.frame_id = "laser"
scan.angle_min = -3.14
scan.angle_max = 3.14
scan.range_min = 0.02
scan.range_max = 4.0
scan.ranges = [data.range] # 简化为单点扫描
self.scan_pub.publish(scan)
```
#### 3. 启动SLAM
创建`mapping.launch`：
```xml
<launch>
<node pkg="ultrasonic_driver" type="servo_control.py" name="servo"/>
<node pkg="ultrasonic_driver" type="ultrasonic_node.py" name="ultrasonic"/>
<node pkg="ultrasonic_driver" type="laserscan_converter.py" name="scan_converter"/>
<node pkg="gmapping" type="slam_gmapping" name="slam">
<param name="delta" value="0.05"/>
<param name="maxUrange" value="4.0"/>
</node>
</launch>
```
---
### **五、运行与测试**
```bash
roslaunch ultrasonic_driver mapping.launch
# 新终端中启动RViz观察地图
rosrun rviz rviz -d `rospack find nav2d_karto`/rviz/navigation.rviz
# 保存最终地图
rosrun map_server map_saver -f ~/ultrasonic_map
```
---
### **常见问题处理**
1. **GPIO权限问题**：
```bash
su
do usermod -a -G gpio $USER
su
do reboot
```
2. **超声波数据不稳定**：
- 增加软件滤波：连续采样5次取中值
- 确保测量环境无强声波干扰
3. **地图精度优化**：
- 降低舵机步进角度（改为5°）
- 调整gmapping参数：
```xml
<param name="angularUpdate" value="0.1"/>
<param name="linearUpdate" value="0.1"/>
```
> 💡 提示：超声波SLAM适用于小范围环境（<4m），建议结合IMU数据提升建图精度
本文介绍了一个在Shell脚本中使用while循环配合ssh命令时遇到的问题：脚本仅读取文本文件的第一行内容后便不再继续。文中提供了两种解决方案，一是使用ssh的-n选项，二是对输入进行重定向。
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