[ROS实战] 零硬件成本调试户外导航：Python模拟GPS信号 + RViz加载高德地图实现“云”行走-优快云博客

前言

在机器人户外导航开发中，我们经常面临一个尴尬的局面：人在室内写代码，机器人在吃灰。因为要测试 GPS 融合定位或地图显示功能，往往需要把机器人搬到室外空旷处。

有没有一种方法，能在室内、无硬件（甚至无机器人）的情况下，在 RViz 中模拟出一个 GPS 信号，并且能像玩游戏一样通过键盘（WASD）控制机器人在真实的高德卫星地图上行走？

本文将通过一个 Python 脚本配合 rviz_satellite 插件，带你实现这套零成本的仿真环境。

准备工作

操作系统：Ubuntu 20.04
ROS 版本：Noetic
所需插件：rviz_satellite

1. 安装核心插件

我们需要一个能让 RViz 加载瓦片地图的插件。

Bash

sudo apt install ros-noetic-rviz-satellite

核心步骤一：编写 GPS + TF 模拟器

RViz 的显示逻辑依赖于 TF (坐标变换)，而地图插件依赖于 GPS (/fix)。因此，我们的模拟脚本必须同时做两件事：

发布 /fix 话题：告诉地图插件“我在地球的哪个经纬度”，以便加载对应的瓦片图片。
发布 TF (map -> base_link)：告诉 RViz “机器人在地图坐标系下的 (x, y) 坐标”，以便让机器人模型动起来。

在你的工作空间（如 ~/catkin_ws/src/your_pkg/scripts/）下新建文件 gps_simulator.py：

Python

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import rospy
from sensor_msgs.msg import NavSatFix
import tf
import sys, select, termios, tty, threading, math

# === 配置区域 ===
# 初始位置：这里以西安长安大学附近为例
INIT_LAT = 34.373056
INIT_LON = 108.896667
INIT_ALT = 0.0

# 移动步长：每次按键移动 5 米
MOVE_STEP_M = 5.0
# 频率
RATE = 10.0 

# 简易经纬度换算系数 (近似值)
METERS_PER_LAT = 111000.0
METERS_PER_LON = 111000.0 * math.cos(math.radians(INIT_LAT))

class GpsSimNode:
    def __init__(self):
        rospy.init_node('gps_simulator', anonymous=True)
        
        # 1. 发布 GPS 话题 (给地图插件用)
        self.pub = rospy.Publisher('/fix', NavSatFix, queue_size=10)
        # 2. 广播 TF 变换 (给 RViz 坐标显示用)
        self.tf_broadcaster = tf.TransformBroadcaster()
        
        self.x = 0.0  # 相对原点的东向距离 (米)
        self.y = 0.0  # 相对原点的北向距离 (米)
        self.running = True
        self.lock = threading.Lock()

        print("=== GPS 模拟器已启动 ===")
        print(f"初始坐标: Lat {INIT_LAT}, Lon {INIT_LON}")
        print("控制方式: W(北) A(西) S(南) D(东) Q(退出)")

    def publish_loop(self):
        rate = rospy.Rate(RATE)
        while not rospy.is_shutdown() and self.running:
            with self.lock:
                cx, cy = self.x, self.y

            # 计算当前的经纬度
            current_lat = INIT_LAT + (cy / METERS_PER_LAT)
            current_lon = INIT_LON + (cx / METERS_PER_LON)

            # A. 发布 GPS
            msg = NavSatFix()
            msg.header.stamp = rospy.Time.now()
            msg.header.frame_id = "base_link"
            msg.latitude = current_lat
            msg.longitude = current_lon
            msg.altitude = INIT_ALT
            self.pub.publish(msg)

            # B. 发布 TF (map -> base_link)
            # 这让 RViz 知道机器人在哪里，从而消除 "Fixed Frame [map] does not exist" 报错
            self.tf_broadcaster.sendTransform(
                (cx, cy, 0.0),
                tf.transformations.quaternion_from_euler(0, 0, 0),
                rospy.Time.now(),
                "base_link", "map"
            )
            rate.sleep()

    def get_key(self):
        # 非阻塞键盘读取
        tty.setraw(sys.stdin.fileno())
        rlist, _, _ = select.select([sys.stdin], [], [], 0.1)
        key = sys.stdin.read(1) if rlist else ''
        termios.tcsetattr(sys.stdin, termios.TCSADRAIN, settings)
        return key

    def run(self):
        t = threading.Thread(target=self.publish_loop)
        t.start()
        try:
            while not rospy.is_shutdown():
                key = self.get_key()
                if key:
                    with self.lock:
                        if key == 'w': self.y += MOVE_STEP_M
                        elif key == 's': self.y -= MOVE_STEP_M
                        elif key == 'a': self.x -= MOVE_STEP_M
                        elif key == 'd': self.x += MOVE_STEP_M
                        elif key in ['q', '\x03']: 
                            self.running = False
                            break
                    print(f"\r当前偏移: X={self.x:.1f}m, Y={self.y:.1f}m   ", end="")
        finally:
            self.running = False
            t.join()

if __name__ == '__main__':
    settings = termios.tcgetattr(sys.stdin)
    try:
        GpsSimNode().run()
    except rospy.ROSInterruptException: pass
    finally:
        termios.tcsetattr(sys.stdin, termios.TCSADRAIN, settings)

(别忘了给脚本加权限：chmod +x gps_simulator.py)

核心步骤二：在 RViz 中接入高德地图

国内网络环境下，Google Maps 经常无法加载，而高德地图（AutoNavi）提供了极其稳定的 XYZ 瓦片服务。

启动 ROS：

打开终端运行 roscore。
运行模拟器：

打开新终端运行 python3 gps_simulator.py。
打开 RViz：

打开新终端运行 rviz。
配置 RViz (关键)：
- Global Options -> Fixed Frame: 手动输入 map。（注意：因为我们的脚本发布了 map->base_link 的 TF，所以这里必须填 map）。
- Add: 点击左下角 Add，选择 AerialMapDisplay。
- AerialMapDisplay 参数设置：
  - Topic: 选择 /fix。
  - Map URL: 填入以下高德卫星图链接：
    Plaintext
```
http://webst01.is.autonavi.com/appmaptile?style=6&x={x}&y={y}&z={z}
```
  - Zoom: 设置为 18 或 19。（设置太小如 0-10 可能导致加载不出图片）。
  - Blocks: 设置为 4。

效果展示与“云行走”

完成上述配置后，你应该能看到 RViz 的黑色背景瞬间变成了高清的卫星地图。

回到运行 Python 脚本的终端，按下键盘上的 W / A / S / D：

现象 1：RViz 正中心的坐标轴（代表机器人）会开始移动。
现象 2：随着机器人的移动，周围的地图瓦片会自动加载更新，不仅实现了“定位”，还实现了“地图跟随”。

进阶技巧：如何使用离线地图？

如果你需要在断网环境下演示，可以将 QGIS 导出的图片切片放在本地文件夹（例如 /home/user/map/z/x/y.png），然后在该文件夹下运行：

Bash

python3 -m http.server 8000

最后将 RViz 中的 Map URL 改为 http://127.0.0.1:8000/{z}/{x}/{y}.png 即可完美欺骗插件加载离线图。

总结

通过本文的方法，我们解决了两个痛点：

解决了 RViz 报错：通过脚本广播 TF，解决了 Fixed Frame [map] does not exist 的经典错误。
解决了地图源问题：使用了高德地图 URL，无需翻墙，无需申请 Key，加载速度极快。

现在，你可以在温暖的室内，随意模拟机器人在城市街道、校区内的行驶轨迹，调试你的路径规划算法了！