23、深入理解ROS中TurtleBot3导航的参数设置与理论基础

深入理解ROS中TurtleBot3导航的参数设置与理论基础

1. 引言

在ROS（机器人操作系统）中，TurtleBot3的导航功能是实现机器人自主移动的关键。要让TurtleBot3在复杂环境中准确导航，需要对其导航相关的参数进行详细设置。本文将详细介绍TurtleBot3导航的参数设置以及背后的理论知识。

2. TurtleBot3导航的详细参数设置

2.1 AMCL（Adaptive Monte Carlo Localization）

AMCL用于机器人的定位，其参数设置在 amcl.launch.xml 文件中，该文件与 turtlebot3_navigation.launch 配合使用。以下是部分重要参数：

<launch>
  <!-- if true, AMCL receives map topic instead of service call. -->
  <arg name="use_map_topic" default="false"/>
  <!-- topic name for the sensor values from the distance sensor. --> 
  <arg name="scan_topic" default="scan"/>
  <!-- used as the initial x-coordinate value of the Gaussian distribution in initial pose estimation.-->
  <arg name="initial_pose_x" default="0.0"/>
  <!-- 更多参数... -->
  <node pkg="amcl" type="amcl" name="amcl"> 
    <!-- filter related parameter -->
    <!-- min number of particles allowed -->
    <param name="min_particles" value="500"/> 
    <!-- max number of particles allowed (the higher the better; set based on PC performance) -->
    <param name="max_particles" value="3000"/>
    <!-- 更多参数... -->
  </node>
</launch> 

参数名称	参数含义	默认值
min_particles	允许的最小粒子数	500
max_particles	允许的最大粒子数	3000
kld_err	实际分布与估计分布之间的最大误差	0.02

2.2 move_base

move_base 用于监督运动规划，其参数设置在 turtlebot3_navigation/param/move_base_params.yaml 文件中。部分参数如下：

# choosing whether to stop the costmap node when move_base is inactive
shutdown_costmaps: false
# cycle of control iteration (in Hz) that orders the speed command to the robot base
controller_frequency: 3.0
# 更多参数...

参数名称	参数含义	默认值
shutdown_costmaps	move_base不活跃时是否停止costmap节点	false
controller_frequency	向机器人底座发送速度命令的控制迭代周期（Hz）	3.0
controller_patience	控制器在执行空间清理操作前等待控制信息的最长时间（秒）	1.0

2.3 costmap

导航使用占用栅格地图，基于此地图计算障碍物、不可移动区域和可移动区域，涉及到 costmap_common_params.yaml 、 global_costmap_params.yaml 和 local_costmap_params.yaml 等文件。不同型号的TurtleBot3使用不同的 costmap_common_params 文件。
- TurtleBot3 Burger的参数设置 ：

# Indicate the object as an obstacle when the distance between the robot and obstacle is within this range.
obstacle_range: 2.5
# sensor value that exceeds this range will be indicated as a freespace
raytrace_range: 3.5
# external dimension of the robot is provided as polygons in several points
footprint: [[-0.110, -0.090], [-0.110, 0.090], [0.041, 0.090], [0.041, -0.090]]
# 更多参数...

参数名称	参数含义	默认值
obstacle_range	当机器人与障碍物的距离在该范围内时，将物体视为障碍物	2.5
raytrace_range	超过该范围的传感器值将被视为自由空间	3.5
inflation_radius	为防止与障碍物碰撞的膨胀区域半径	0.15

• TurtleBot3 Waffle的参数设置 ：

obstacle_range: 2.5
raytrace_range: 3.5
footprint: [[-0.205, -0.145], [-0.205, 0.145], [0.077, 0.145], [0.077, -0.145]]
# 更多参数...

与Burger相比，Waffle的 footprint 和 inflation_radius 不同。

2.4 dwa_local_planner

dwa_local_planner 最终向机器人发布速度命令，其参数设置在 turtlebot3_navigation/param/dwa_local_planner_params.yaml 文件中。部分参数如下：

DWAPlannerROS:
  # robot parameters
  max_vel_x: 0.18   
  min_vel_x:-0.18   
  max_vel_y: 0.0    
  # 更多参数...

参数名称	参数含义	默认值
max_vel_x	x轴的最大速度（米/秒）	0.18
min_vel_x	x轴的最小速度（米/秒）	-0.18
max_rot_vel	最大旋转速度（弧度/秒）	1.8

3. 导航理论

3.1 Costmap

Costmap用于计算障碍物区域、可能的碰撞区域和机器人可移动区域。根据导航类型，可分为全局代价地图（ global_costmap ）和局部代价地图（ local_costmap ）。
- 全局代价地图 ：用于在固定地图的全局区域中规划路径。
- 局部代价地图 ：用于机器人周围有限区域的路径规划和避障。

Costmap的值在0到255之间，不同值代表不同含义：
| 值范围 | 含义 |
| — | — |
| 0 | 机器人可自由移动的自由区域 |
| 1 - 127 | 低碰撞概率区域 |
| 128 - 252 | 高碰撞概率区域 |
| 253 - 254 | 碰撞区域 |
| 255 | 机器人无法移动的占用区域 |

以下是Costmap计算的流程：

graph TD;
    A[获取机器人位姿和传感器信息] --> B[加载静态地图];
    B --> C[计算障碍物、碰撞和可移动区域];
    C --> D[输出Costmap];

3.2 AMCL

AMCL是蒙特卡罗定位（MCL）的改进版本，通过减少样本数量来提高实时性能。MCL的目标是确定机器人在给定环境中的位置，通过以下步骤实现：
1. 计算信念（posterior probability） ：
- (bel( x_t ) = p( x_t|z_{0…t}, u_{0..t} ))
2. 预测步骤 ：
- (bel’( x_t ) = \int p( x_t | x_{t-1}, u_{t-1} )bel( x_{t-1} )dx_{t-1})
3. 更新步骤 ：
- (bel( x_t ) = \eta_tp( z_t | x_t )bel’( x_t ))
4. SIR（Sampling Importance weighting Re-sampling）过程 ：
- 采样过程：提取新的样本集。
- 计算权重：根据样本和传感器信息计算权重。
- 重采样过程：创建新的采样集。

通过不断重复SIR过程，机器人的定位精度会不断提高。

3.3 Dynamic Window Approach (DWA)

DWA是一种流行的避障规划方法，通过在速度搜索空间中选择能快速到达目标点且避免碰撞的速度。在速度搜索空间中，机器人有一个最大允许速度，即动态窗口。
- 目标函数 ：(G(v, \omega) = v(a·heading(v, \omega) + b·dist(v, \omega) + c·velocity(v, \omega)))
- (heading(v, \omega))：机器人方向与目标点方向的夹角。
- (dist(v, \omega))：到障碍物的距离。
- (velocity(v, \omega))：选择的速度。

DWA的工作流程如下：

graph TD;
    A[确定速度搜索空间] --> B[定义动态窗口];
    B --> C[计算目标函数];
    C --> D[选择最优速度];
    D --> E[机器人移动];

通过以上参数设置和理论基础，TurtleBot3可以在复杂环境中实现准确的导航。这些知识不仅适用于TurtleBot3，也可应用于其他机器人平台。在实际应用中，可以根据具体需求调整参数，以达到最佳的导航效果。

深入理解ROS中TurtleBot3导航的参数设置与理论基础

4. 实际应用中的注意事项

在实际使用TurtleBot3进行导航时，除了正确设置参数和理解理论基础外，还需要注意以下几点：
- 硬件性能 ：参数的设置需要考虑机器人硬件的性能。例如，在设置 amcl.launch.xml 中的 max_particles 时，如果PC性能较差，设置过高的值可能会导致系统卡顿甚至崩溃。一般来说，根据PC的处理能力合理调整该值。
- 传感器校准 ：传感器的准确性对导航效果至关重要。在使用前，需要对距离传感器（如激光雷达）进行校准，以确保获取的距离信息准确可靠。不准确的传感器数据可能会导致Costmap计算错误，从而影响机器人的导航路径。
- 环境适应性 ：不同的环境对导航参数的要求可能不同。例如，在空旷的环境中，可以适当增大 costmap_common_params.yaml 中的 obstacle_range 和 raytrace_range ，以提高机器人的感知范围；而在狭窄的空间中，则需要减小这些值，避免误判。

5. 参数调整示例

为了更好地说明如何根据实际情况调整参数，下面给出一个简单的示例。假设机器人在一个狭窄的室内环境中导航，经常出现碰撞的情况，我们可以按照以下步骤调整参数：
1. 调整Costmap参数 ：
- 减小 costmap_common_params.yaml 中的 obstacle_range 和 raytrace_range ，例如将 obstacle_range 从2.5减小到1.5， raytrace_range 从3.5减小到2.5。这样可以减少机器人对远处障碍物的感知范围，避免误判。
- 增大 inflation_radius ，例如从0.15增大到0.2。这样可以扩大机器人周围的安全区域，减少碰撞的可能性。
2. 调整dwa_local_planner参数 ：
- 减小 dwa_local_planner_params.yaml 中的 max_vel_x 和 max_rot_vel ，例如将 max_vel_x 从0.18减小到0.1， max_rot_vel 从1.8减小到1.0。降低机器人的最大速度可以让机器人有更多的时间来响应障碍物，提高避障能力。

6. 总结

本文详细介绍了TurtleBot3导航的参数设置和相关理论知识。通过对AMCL、move_base、costmap和dwa_local_planner等参数的设置，可以实现机器人在不同环境中的准确导航。同时，深入理解Costmap、AMCL和DWA等理论基础，有助于我们更好地调整参数，提高导航效果。

在实际应用中，需要根据机器人的硬件性能、传感器校准情况和环境特点等因素，灵活调整参数。通过不断的实践和优化，我们可以让TurtleBot3在各种复杂环境中稳定、高效地完成导航任务。

以下是一个总结表格，对比不同组件的主要参数和作用：
| 组件名称 | 主要参数文件 | 主要参数 | 作用 |
| — | — | — | — |
| AMCL | amcl.launch.xml | min_particles 、 max_particles 、 kld_err 等 | 机器人定位 |
| move_base | move_base_params.yaml | shutdown_costmaps 、 controller_frequency 等 | 运动规划监督 |
| costmap | costmap_common_params.yaml 、 global_costmap_params.yaml 、 local_costmap_params.yaml | obstacle_range 、 raytrace_range 、 inflation_radius 等 | 计算障碍物、碰撞和可移动区域 |
| dwa_local_planner | dwa_local_planner_params.yaml | max_vel_x 、 min_vel_x 、 max_rot_vel 等 | 发布速度命令，实现避障规划 |

最后，给出一个整体的导航流程mermaid流程图，帮助大家更好地理解各个组件之间的协作关系：

graph LR;
    A[传感器获取数据] --> B[AMCL定位];
    B --> C[move_base运动规划];
    C --> D[costmap计算区域];
    D --> E[dwa_local_planner发布速度命令];
    E --> F[机器人移动];
    F --> A;

通过以上内容，希望大家对TurtleBot3导航有了更深入的理解，并能够在实际应用中灵活运用这些知识。