19、TurtleBot3使用指南：可视化、主题控制与仿真

TurtleBot3使用指南：可视化、主题控制与仿真

1. TurtleBot3可视化

若要在RViz上可视化TurtleBot3的状态，需先将3D模型设置为Burger。若使用的是TurtleBot3 Waffle或Waffle Pi，则需将 TURTLEBOT3_MODEL 参数设置为 waffle 或 waffle_pi 。操作步骤如下：
1. 设置3D模型：

$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger

2. 启动远程启动文件：

$ roslaunch turtlebot3_bringup turtlebot3_remote.launch

3. 运行RViz：

$ rosrun rviz rviz -d `rospack find turtlebot3_description`/rviz/model.rviz

执行RViz后，TurtleBot3 Burger的3D模型将显示在RGB坐标原点，同时显示机器人各关节的tf信息。360度LDS传感器的距离数据会以红点形式显示在机器人周围。

为了方便操作TurtleBot3，可使用SSH从远程PC远程访问TurtleBot3 SBC。具体步骤如下：
1. 安装SSH应用：

$ sudo apt-get install ssh

2. 连接到远程PC：

$ ssh username @ ip address of the remote PC

例如，连接到TurtleBot3 SBC的命令为：

$ ssh turtlebot@192.168.7.200

对于Raspberry Pi（TurtleBot3 Burger和Waffle Pi），由于Ubuntu MATE 16.04.x和Raspbian的SSH服务器默认是禁用的，若要启用SSH，可参考以下文档：
- https://www.raspberrypi.org/documentation/remote-access/ssh/
- https://ubuntu-mate.org/raspberry-pi/

2. TurtleBot3主题

若仅在远程PC上运行 roscore ，未运行其他节点，执行 rostopic list 命令将返回 /rosout 和 /rosout_agg 。要运行TurtleBot3，需在TurtleBot3 SBC的终端窗口中运行 turtlebot3_robot.launch 文件：

$ roslaunch turtlebot3_bringup turtlebot3_robot.launch --screen

执行该文件后， turtlebot3_core 节点和 turtlebot3_lds 节点将运行，可接收各节点发布的消息，如关节状态、执行器和IMU等主题。执行 rostopic list 命令可验证各种主题的发布和订阅情况：

$ rostopic list
/cmd_vel
/cmd_vel_rc100
/diagnostics
/imu
/joint_states
/odom
/rosout
/rosout_agg
/rpms
/scan
/sensor_state
/tf

此外，在远程PC上启动 turtlebot3_teleop_key.launch 文件以实现TurtleBot3的远程控制：

$ roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch --screen

若要查看节点和主题的详细信息，可运行 rqt_graph ：

$ rqt_graph

2.1 订阅主题

TurtleBot3的主题可分为订阅主题和发布主题。以下是TurtleBot3的订阅主题：
| 主题名称 | 格式 | 功能 |
| — | — | — |
| motor_power | std_msgs/Bool | Dynamixel扭矩开/关 |
| reset | std_msgs/Empty | 重置里程计和IMU数据 |
| sound | turtlebot3_msgs/Sound | 输出蜂鸣声 |
| cmd_vel | geometry_msgs/Twist | 控制机器人的平移和旋转速度，单位为m/s和rad/s（实际机器人控制） |

使用订阅主题控制机器人的示例如下：
- 停止电机：

$ rostopic pub /motor_power std_msgs/Bool "data: 0"

• 控制TurtleBot3的速度：

$ rostopic pub /cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear:
  x: 0.02
  y: 0.0
  z: 0.0
angular:
  x: 0.0
  y: 0.0
  z: 0.0"

当 x 值为0.02时，TurtleBot3将沿正x轴方向以0.02 m/s的速度前进。当 z 值为1.0时，TurtleBot3将以1.0 rad/s的速度逆时针旋转：

$ rostopic pub /cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear:
  x: 0.0
  y: 0.0
  z: 0.0
angular:
  x: 0.0
  y: 0.0
  z: 1.0"

2.2 发布主题

TurtleBot3发布的主题包括诊断、调试和传感器相关主题，如 joint_states 、 sensor_state 、 odom 、 version_info 和 tf 等。以下是部分发布主题的详细信息：
| 主题名称 | 格式 | 功能 |
| — | — | — |
| sensor_state | turtlebot3_msgs/SensorState | 包含TurtleBot3上安装的传感器的值 |
| battery_state | sensor_msgs/BatteryState | 包含电池电压和状态 |
| scan | sensor_msgs/LaserScan | 确认TurtleBot3上安装的LiDAR的扫描值 |
| imu | sensor_msgs/Imu | 基于加速度和陀螺仪传感器包含机器人的姿态信息 |
| odom | nav_msgs/Odometry | 基于编码器和IMU包含TurtleBot3的里程计信息 |
| tf | tf2_msgs/TFMessage | 包含坐标变换信息，如 base_footprint 和 odom 之间的变换 |
| joint_states | sensor_msgs/JointState | 检查车轮作为关节时的位置（m）、速度（m/s）和力（N·m） |
| diagnostics | diagnostic_msgs/DiagnosticArray | 包含自我诊断信息 |
| version_info | turtlebot3_msgs/VersionInfo | 包含TurtleBot3的硬件、固件和软件信息 |
| cmd_vel_rc100 | geometry_msgs/Twist | 当连接基于蓝牙的控制器RC100时，用于控制移动机器人的速度和角速度 |

2.3 使用发布主题验证机器人状态

可通过订阅发布主题来验证机器人的当前状态：
- 获取 sensor_state 主题信息：

$ rostopic echo /sensor_state
stamp: 
  secs: 1500378811
  nsecs: 475322065
bumper: 0
cliff: 0
button: 0
left_encoder: 35070
right_encoder: 108553
battery: 12.0799999237
---

• 获取 odom 主题信息：

$ rostopic echo /odom 
header: 
  seq: 30
  stamp: 
    secs: 1500379033
    nsecs: 274328964
  frame_id: odom
child_frame_id: ''
pose: 
  pose: 
    position: 
      x: 3.55720114708
      y: 0.655082702637
      z: 0.0
    orientation: 
      x: 0.0
      y: 0.0
      z: 0.113450162113
      w: 0.993543684483
  covariance: [0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 
0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 
0.0]
twist: 
  twist: 
    linear: 
      x: 0.0
      y: 0.0
      z: 0.0
    angular: 
      x: 0.0
      y: 0.0
      z: -0.00472585950047
  covariance: [0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 
0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 
0.0]
---

• 获取 tf 主题信息：

$ rostopic echo /tf
transforms: 
  - 
    header: 
      seq: 0
      stamp: 
        secs: 1500379130
        nsecs: 727869913
      frame_id: odom
    child_frame_id: base_footprint
    transform: 
      translation: 
        x: 3.55720019341
        y: 0.655082404613
        z: 0.0
      rotation: 
        x: 0.0
        y: 0.0
        z: 0.112961538136
        w: 0.993599355221
---

也可使用 rqt 中的 tf_tree 插件在GUI环境中可视化 tf 信息：

$ rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree

3. 使用RViz进行TurtleBot3仿真

TurtleBot3支持在仿真环境中使用虚拟机器人进行编程和开发，可使用3D可视化工具RViz或3D机器人模拟器Gazebo。

3.1 启动虚拟机器人

若要启动虚拟机器人，需执行 turtlebot3_fake 包中的 turtlebot3_fake.launch 文件：

$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ roslaunch turtlebot3_fake turtlebot3_fake.launch

上述命令将加载 turtlebot3_description 包中的3D建模文件，执行 turtlebot3_fake_node （发布假主题，模拟实际机器人的发布）和 robot_state_publisher 节点（将每个车轮的变换信息发布到 tf 主题）。但在RViz中无法使用传感器信息，需使用基于物理引擎的3D模拟器Gazebo。

要在RViz上可视化TurtleBot3，需运行RViz，选择 [Global Options] → [fixed frame] 为 /odom ，点击窗口左下角的 Add 按钮添加 RobotModel ，将显示从 turtlebot3_fake.launch 加载的3D模型文件。

运行 turtlebot3_teleop 包中的 turtlebot3_teleop_key.launch 文件，可通过键盘远程操作机器人：

$ roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

在运行 turtlebot3_teleop_key.launch 文件的终端窗口中，可使用以下按键控制机器人：
- w 键：前进（+0.01步长，单位：m/sec）
- x 键：后退（-0.01步长，单位：m/sec）
- a 键：逆时针旋转（+0.1步长，单位：rad/sec）
- d 键：顺时针旋转（-0.1步长，单位：rad/sec）
- 空格键或 s 键：将平移和旋转速度重置为0
- Ctrl + c ：终止节点

3.2 里程计和TF

练习驱动虚拟机器人后，可检查其他主题的值。例如， turtlebot3_fake_node 接收速度命令生成里程计信息，通过主题发布 odometry 、 joint_state 和 tf ，可在RViz中可视化TurtleBot3的运动。

要验证里程计信息的生成和发布情况，可在RViz中可视化里程计信息。点击RViz左下角的 Add 按钮，选择 By Topic 标签，添加 Odometry ，屏幕上将显示红色箭头表示TurtleBot的前进方向的里程计信息。取消勾选 Odometry 选项下的 Covariance ，调整 Shaft 和 Head 的大小。

移动虚拟TurtleBot3后，屏幕上将显示红色箭头表示机器人的轨迹，这是机器人当前位置的基本信息。

tf 主题包含TurtleBot3组件的相对坐标信息，可使用 rostopic 命令验证，也可在RViz中可视化。点击RViz左下角的 Add 按钮，选择 TF ，将显示 odom 、 base_footprint 、 imu_link 、 wheel_left_link 、 wheel_right_link 等信息。移动虚拟TurtleBot3时，可看到 wheel_left_link 和 wheel_right_link 旋转。

运行 rqt_tf_tree 命令，可看到TurtleBot3组件的相对变换：

$ rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree

4. 使用Gazebo进行TurtleBot3仿真

4.1 Gazebo模拟器介绍

Gazebo是一款3D模拟器，为机器人开发提供所需的机器人、传感器和环境模型，并通过其物理引擎实现逼真的仿真。它具有以下特点：
- 动力学仿真 ：早期仅支持ODE（Open Dynamics Engine），从3.0版本开始，支持Bullet、Simbody和DART等多种物理引擎，以满足不同用户的需求。
- 3D图形 ：使用常用于游戏的OGRE（Open - source Graphics Rendering Engines），能在屏幕上逼真地绘制机器人模型、光线、阴影和纹理。
- 传感器和噪声仿真 ：支持激光测距仪（LRF）、2D/3D相机、深度相机、接触传感器、力 - 扭矩传感器等多种传感器，并能为传感器数据添加类似实际环境的噪声。
- 插件 ：提供API，允许用户以插件形式创建机器人、传感器和环境控制。
- 机器人模型 ：以SDF（Gazebo模型文件）形式支持PR2、Pioneer2 DX、iRobot Create和TurtleBot等机器人，用户还可通过SDF文件添加自己的机器人。
- TCP/IP数据传输 ：可在远程服务器上运行仿真，使用基于套接字的消息传递Google’s Protobufs。
- 云仿真 ：提供CloudSim云仿真环境，可用于Amazon、Softlayer和OpenStack等云环境。
- 命令行工具 ：支持GUI和CUI工具，用于验证和控制仿真状态。

Gazebo的最新版本是8.0，本书使用的ROS Kinetic Kame默认采用该版本。若按照“3.1 ROS安装”的说明安装了ROS，则无需额外安装即可使用Gazebo。运行Gazebo的命令如下：

$ gazebo

4.2 启动虚拟机器人

要在Gazebo模拟器上运行TurtleBot3，需安装相关依赖包。连接Gazebo和ROS的 gazebo_ros_pkgs 元包以及TurtleBot3的3D仿真包 turtlebot3_gazebo 已在之前安装。

设置3D模型文件为Burger、Waffle或Waffle Pi，以下示例以Waffle为例，可获取相机信息：

$ export TURTLEBOT3_MODEL=waffle

若将上述命令写入 ~/.bashrc 文件，则每次打开新终端窗口时无需重新设置模型。

运行以下命令启动虚拟机器人：

$ roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_empty_world.launch

该命令将同时执行 gazebo 、 gazebo_gui 、 mobile_base_nodelet_manager 、 robot_state_publisher 和 spawn_mobile_base 节点，TurtleBot3 Waffle将出现在Gazebo屏幕上。由于Gazebo使用物理引擎和图形效果，会占用大量CPU、GPU和RAM资源，根据PC硬件规格，加载应用可能需要较长时间。

在上述示例中，Gazebo仅加载了机器人。若要进行实际仿真，用户可指定环境或加载Gazebo提供的环境模型。可通过点击屏幕顶部的 Insert 按钮并选择文件来添加环境模型，其中包含各种机器人模型、对象和环境模型，可按需添加。

关闭当前活动的Gazebo屏幕，可点击屏幕左上角的 X 按钮或在启动Gazebo的终端窗口中输入 Ctrl + c 。

运行以下命令加载 turtlebot3_world.launch 文件，该文件将加载已创建的 turtlebot3.world 环境模型：

$ roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch

运行以下命令通过键盘控制Gazebo环境中的虚拟TurtleBot3：

$ roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

Gazebo与上一节的RViz仿真看起来相似，但它不仅能模拟虚拟机器人的外观，还能虚拟检查碰撞、计算位置，并使用IMU传感器和相机。运行以下命令，虚拟TurtleBot3将在加载的环境中随机移动并避开障碍物：

$ export TURTLEBOT3_MODEL=waffle
$ roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_simulation.launch

此外，运行以下命令启动RViz，它可以可视化在Gazebo中运行的机器人的位置、距离传感器数据和相机图像，该仿真输出几乎与在类似Gazebo设计的环境模型中操作实际机器人相同：

$ export TURTLEBOT3_MODEL=waffle
$ roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_gazebo_rviz.launch

总结

本文详细介绍了TurtleBot3的可视化、主题控制以及使用RViz和Gazebo进行仿真的方法。通过RViz可实现TurtleBot3状态的可视化和简单的虚拟仿真，而Gazebo则提供了更逼真的仿真环境，包括动力学仿真、传感器仿真等。以下是操作步骤的流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([开始]):::startend --> B(选择仿真方式):::decision
    B -->|RViz| C(设置3D模型):::process
    C --> D(启动远程启动文件):::process
    D --> E(运行RViz):::process
    E --> F(启动虚拟机器人):::process
    F --> G(控制虚拟机器人):::process
    G --> H(验证里程计和TF信息):::process
    B -->|Gazebo| I(安装依赖包):::process
    I --> J(设置3D模型):::process
    J --> K(启动虚拟机器人到空环境):::process
    K --> L(选择环境模型):::process
    L --> M(加载环境模型):::process
    M --> N(控制虚拟机器人):::process
    N --> O(可视化仿真结果):::process
    H --> P([结束]):::startend
    O --> P

在实际应用中，可根据具体需求选择合适的仿真方式。RViz适合快速验证和简单测试，而Gazebo更适合复杂场景和逼真仿真。同时，通过订阅和发布主题，可实现对TurtleBot3的灵活控制和状态监测。