《ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)基礎(chǔ)》 課件 項(xiàng)目7、8　數(shù)據(jù)信息可視化的實(shí)現(xiàn)、機(jī)器人仿真環(huán)境搭建與仿真操作

任務(wù)一初識(shí)數(shù)據(jù)可視化01任務(wù)二實(shí)現(xiàn)小海龜速度數(shù)據(jù)的可視化02任務(wù)三查看ROS進(jìn)程網(wǎng)絡(luò)計(jì)算圖03任務(wù)四使用RViz實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化04任務(wù)五使用TF坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)小海龜跟隨運(yùn)動(dòng)01197任務(wù)一

初識(shí)數(shù)據(jù)可視化1981.?了解數(shù)據(jù)可視化的概念2.?了解數(shù)據(jù)可視化工具rqt和RViz任務(wù)目標(biāo)199一、數(shù)據(jù)可視化的概念數(shù)據(jù)可視化是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、圖表、圖像或其他可視形式的過(guò)程，旨在幫助用戶(hù)更好地理解和分析數(shù)據(jù)。通過(guò)可視化，復(fù)雜的數(shù)據(jù)集可以以直觀、易懂的方式展示，可以清楚地顯示數(shù)據(jù)中的模式、趨勢(shì)和關(guān)聯(lián)關(guān)系。數(shù)據(jù)可視化在各個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用，包括科學(xué)研究、工程分析、商業(yè)智能、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、醫(yī)療健康等，它為人們提供了一種強(qiáng)大的工具來(lái)探索數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)信息和傳達(dá)見(jiàn)解?；A(chǔ)知識(shí)200數(shù)據(jù)可視化的目標(biāo)是通過(guò)圖形化手段清晰、有效地傳達(dá)和交流信息，因此美學(xué)形式和功能需要并重，設(shè)計(jì)和表達(dá)需要綜合考慮，以確保信息的準(zhǔn)確性、可理解性和吸引力，使得觀察者能夠從中獲得有意義的洞察和理解。201二、數(shù)據(jù)可視化工具ROS內(nèi)部有豐富多樣的可視化工具，如果考慮ROS用戶(hù)個(gè)人發(fā)布的工具，那么ROS的工具數(shù)量將變得非常龐大。本任務(wù)專(zhuān)注介紹GUI（圖形用戶(hù)界面）開(kāi)發(fā)工具（如rqt）和三維可視化工具（如RViz）。2021.?GUI開(kāi)發(fā)工具——rqtROS為機(jī)器人開(kāi)發(fā)提供了各種GUI工具，包括將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)顯示為圖形且顯示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和話(huà)題狀態(tài)的rqt_graph、將消息顯示為二維圖形的rqt_plot等。從ROSFuerte版本開(kāi)始，這些GUI開(kāi)發(fā)工具被整合到了一個(gè)名為rqt的工具中，它集成了30多種工具，可以作為一個(gè)綜合的GUI工具來(lái)使用。此外，RViz也被集成到rqt的插件中，這使rqt成為ROS的一個(gè)不可缺少的GUI工具。203rqt是基于Qt開(kāi)發(fā)的，而Qt是一個(gè)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)編程的跨平臺(tái)框架，用戶(hù)可以方便、自由地添加和開(kāi)發(fā)插件。rqt的部分常用插件及其功能見(jiàn)下表。204節(jié)點(diǎn)管理器與節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系205節(jié)點(diǎn)管理器與節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系206節(jié)點(diǎn)管理器與節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系2.?三維可視化工具——RViz（1）RViz的功能RViz是ROS的三維可視化工具，具有以下兩個(gè)主要功能：1）外部信息的圖形顯示：RViz可以以圖形化的方式顯示外部信息，如機(jī)器人模型、傳感器數(shù)據(jù)、地圖等。通過(guò)RViz，用戶(hù)可以直觀地觀察和了解機(jī)器人的位置和姿態(tài)、環(huán)境中的物體等，這對(duì)于機(jī)器人的導(dǎo)航、感知、決策等任務(wù)有非常大的幫助。2072）發(fā)布控制消息：除了顯示外部信息，RViz還允許用戶(hù)發(fā)布控制消息到ROS系統(tǒng)中。通過(guò)RViz的界面，用戶(hù)可以發(fā)送控制指令，如設(shè)置目標(biāo)位置、設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度等，從而在RViz環(huán)境中直接與機(jī)器人進(jìn)行交互，觀察其行為和效果。208（2）RViz的界面RViz的界面如圖所示，包括工具欄、項(xiàng)目顯示區(qū)、3D視圖顯示區(qū)、觀測(cè)視角設(shè)置區(qū)和時(shí)間顯示區(qū)。209RViz的界面1）工具欄。RViz界面的上部為工具欄，包括視角控制、目標(biāo)設(shè)置、地點(diǎn)發(fā)布等，還可以添加自定義的插件。工具欄中的一些工具可以用來(lái)操縱3D視角，如展示機(jī)器人模型的關(guān)系、調(diào)整機(jī)器人視角、設(shè)置導(dǎo)航目標(biāo)等。2）項(xiàng)目顯示區(qū)。RViz界面的左側(cè)為項(xiàng)目顯示區(qū)，顯示項(xiàng)目包含一系列的可視化插件及其屬性，顯示當(dāng)前選擇的插件并能對(duì)插件的屬性進(jìn)行設(shè)置，這些插件的主要功能是查看ROS消息并以可視化的方式顯示出來(lái)。消息可以是傳感器數(shù)據(jù)，如拍攝的圖像、3D點(diǎn)云等，也可以是機(jī)器人模型、變換tf等數(shù)據(jù)。2103）3D視圖顯示區(qū)。RViz界面的中間部分為3D視圖顯示區(qū)，能夠顯示外部信息。4）觀測(cè)視角設(shè)置區(qū)。RViz界面的右側(cè)為觀測(cè)視角設(shè)置區(qū)，可以設(shè)置不同的觀測(cè)視角。使用視圖面板可以保存不同的3D視角，并通過(guò)加載保存的設(shè)置信息來(lái)切換不同的視角。5）時(shí)間顯示區(qū)。RViz界面的下部為時(shí)間顯示區(qū)，包括系統(tǒng)時(shí)間、ROS時(shí)間等，用戶(hù)也可以通過(guò)這個(gè)面板對(duì)RViz進(jìn)行初始化設(shè)置。211任務(wù)二

實(shí)現(xiàn)小海龜速度數(shù)據(jù)的可視化2121.?了解rqt_plot命令的使用方法2.?能使用rqt_plot命令實(shí)現(xiàn)小海龜速度數(shù)據(jù)的可視化任務(wù)目標(biāo)213rqt_plot命令的使用rqt_plot命令可以在ROS中繪制數(shù)據(jù)的曲線圖，使用戶(hù)能夠更直觀地觀察和分析數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，從而更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和決策。例如，當(dāng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要查看機(jī)器人的原始數(shù)據(jù)時(shí)，使用rqt_plot命令可以將這些原始數(shù)據(jù)以曲線的形式繪制出來(lái)，更清晰地展現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化情況。在ROS中，可以通過(guò)輸入rqt_plot命令來(lái)打開(kāi)曲線坐標(biāo)窗口，可以在窗口上方的輸入框中添加或刪除話(huà)題?；A(chǔ)知識(shí)214215曲線坐標(biāo)窗口界面打開(kāi)曲線坐標(biāo)窗口界面的方法有兩種，分別為使用命令行啟動(dòng)和通過(guò)GUI界面選擇。1.使用命令行啟動(dòng)，命令如下：$rqt_plot/[topic_name]例如，輸入以下命令，打開(kāi)小海龜?shù)?turtle1/pose的相關(guān)界面。$rqt_plot/turtle1/pose/x/turtle1/pose/y2162.通過(guò)GUI界面選擇，操作步驟如下：（1）輸入以下命令，啟動(dòng)rqt_plot。$rqt_plot（2）在GUI界面“Topic”右側(cè)文本框中輸入話(huà)題，然后單擊文本框右側(cè)的加號(hào)即可完成話(huà)題的添加，如圖所示。217添加話(huà)題若不想顯示某個(gè)話(huà)題，可以單擊圖中的減號(hào)按鈕，再選擇相應(yīng)話(huà)題以取消顯示即可。218取消顯示某個(gè)話(huà)題任務(wù)三

查看ROS進(jìn)程網(wǎng)絡(luò)計(jì)算圖2191.?了解計(jì)算圖的概念與作用2.?掌握rqt_graph命令的作用3.?能使用rqt_graph命令查看小海龜仿真器的計(jì)算圖任務(wù)目標(biāo)220一、計(jì)算圖的概念與作用在ROS中，計(jì)算是通過(guò)進(jìn)程網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中每個(gè)進(jìn)程被稱(chēng)為一個(gè)ROS節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)相互連接形成了一個(gè)計(jì)算圖（graph），它描述了節(jié)點(diǎn)之間的通信和交互關(guān)系。計(jì)算圖中的重要概念包括節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)管理器、參數(shù)服務(wù)器、消息、話(huà)題、服務(wù)和消息記錄包，如圖所示。其中，橢圓形表示一個(gè)運(yùn)行中的ROS節(jié)點(diǎn)；矩形表示ROS話(huà)題，用于在節(jié)點(diǎn)之間傳遞消息，箭頭表示消息的流向；長(zhǎng)方體表示TF變換關(guān)系?；A(chǔ)知識(shí)221222計(jì)算圖實(shí)例二、rqt_graph命令的作用在ROS系統(tǒng)中，rqt_graph是rqt程序包中的一個(gè)重要工具。它以圖形化的方式顯示整個(gè)通信架構(gòu)，清晰地展示當(dāng)前正在運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)和話(huà)題以及消息在系統(tǒng)中的流向。通過(guò)使用rqt_graph命令可以獲得系統(tǒng)的整體情況和信息流動(dòng)的可視化展示，學(xué)習(xí)者可以了解消息是如何在不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳遞和處理的，從而更好地理解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行原理。此外，rqt_graph還能幫助學(xué)習(xí)者快速發(fā)現(xiàn)和糾正通信方面的問(wèn)題，提高開(kāi)發(fā)調(diào)試的效率。223任務(wù)四

使用RViz實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化2241.?了解RViz可視化元素菜單中各項(xiàng)目的功能2.?掌握RViz中可視化元素的添加方法3.?能使用RViz實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化任務(wù)目標(biāo)225一、RViz可視化元素菜單使用RViz的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)用到可視化元素菜單，如圖所示，菜單的調(diào)用方法是單擊顯示屏（Displays）菜單下方的“Add”。該菜單用于控制三維視圖（3DView）中顯示的信息內(nèi)容，各項(xiàng)目的說(shuō)明見(jiàn)下表。基礎(chǔ)知識(shí)226227可視化元素菜單（部分）228可視化元素菜單內(nèi)容說(shuō)明229可視化元素菜單內(nèi)容說(shuō)明230可視化元素菜單內(nèi)容說(shuō)明二、RViz中可視化元素的添加方法在RViz中添加可視化元素的方法有兩種，一種是按顯示類(lèi)型添加，另一種是按話(huà)題添加。1.?按顯示類(lèi)型添加（1）在顯示屏菜單中單擊“Add”，彈出“rviz”對(duì)話(huà)框。231單擊“Add”（2）單擊“rviz”對(duì)話(huà)框中的“Bydisplaytype”選項(xiàng)卡，選擇想要的顯示類(lèi)型，如“Map”，選中后單擊“OK”，如圖所示。232按顯示類(lèi)型添加2.?按話(huà)題添加（1）在顯示屏菜單中單擊“Add”，彈出“rviz”對(duì)話(huà)框。（2）單擊對(duì)話(huà)框中的“Bytopic”選項(xiàng)卡，即可顯示所有的話(huà)題選項(xiàng)，選擇需要的話(huà)題，最后單擊“OK”，如圖所示。233按話(huà)題添加任務(wù)五

使用TF坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)小海龜跟隨運(yùn)動(dòng)2341.?了解TF坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)知識(shí)2.?掌握TF坐標(biāo)變換功能包的作用和使用方法3.?掌握常用的TF工具4.?能使用TF坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)小海龜跟隨運(yùn)動(dòng)任務(wù)目標(biāo)235一、TF坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換是機(jī)器人學(xué)中一個(gè)非常基礎(chǔ)且重要的概念。機(jī)器人本體和機(jī)器人的工作環(huán)境中存在大量的組件元素，這些組件元素所處的相對(duì)位置和姿態(tài)各有不同，而在機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中都會(huì)涉及不同組件位置變換的計(jì)算，這就需要引入坐標(biāo)系以及坐標(biāo)變換的概念?；A(chǔ)知識(shí)236ROS中的坐標(biāo)變換系統(tǒng)由TF功能包維護(hù)。在許多ROS功能包（如SLAM建圖和機(jī)器人導(dǎo)航）中，TF功能包用于發(fā)布三維空間中各個(gè)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，下圖顯示了世界坐標(biāo)系、激光雷達(dá)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，這種變換關(guān)系在機(jī)器人感知和導(dǎo)航中至關(guān)重要。通常情況下，三維坐標(biāo)系的+X方向用紅色坐標(biāo)軸表示，+Y方向用綠色坐標(biāo)軸表示，+Z方向用藍(lán)色坐標(biāo)軸表示。237238坐標(biāo)變換二、TF坐標(biāo)變換功能包的作用一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)通常有很多三維坐標(biāo)系，如圖所示是PR2機(jī)器人的所有三維坐標(biāo)系，如世界坐標(biāo)系（worldframe）、機(jī)器人中心坐標(biāo)系（baseframe）、機(jī)械夾爪坐標(biāo)系（gripperframe）、機(jī)器人頭部坐標(biāo)系（headframe）等，這些坐標(biāo)系都會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化。239240PR2機(jī)器人的所有三維坐標(biāo)系TF坐標(biāo)變換功能包的作用是根據(jù)時(shí)間緩沖維護(hù)多個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換關(guān)系，它可以在任何時(shí)間跟蹤多個(gè)坐標(biāo)系。它使用樹(shù)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以幫助開(kāi)發(fā)者方便、快捷地完成點(diǎn)、向量等坐標(biāo)的變換。通過(guò)TF坐標(biāo)變換功能包，開(kāi)發(fā)者可以請(qǐng)求以下類(lèi)型的數(shù)據(jù)：1.坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系：TF坐標(biāo)變換功能包允許開(kāi)發(fā)者查詢(xún)不同坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，如一個(gè)坐標(biāo)系相對(duì)于另一個(gè)坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)關(guān)系。2412.時(shí)刻的坐標(biāo)變換：TF坐標(biāo)變換功能包能夠記錄并提供坐標(biāo)系在不同時(shí)間點(diǎn)的變換關(guān)系。開(kāi)發(fā)者可以查詢(xún)過(guò)去或未來(lái)的特定時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)變換數(shù)據(jù)，以便對(duì)歷史或預(yù)測(cè)的位置、姿態(tài)進(jìn)行分析或規(guī)劃。3.運(yùn)動(dòng)中的坐標(biāo)變換：對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的物體或機(jī)器人，TF坐標(biāo)變換功能包能夠提供動(dòng)態(tài)的坐標(biāo)變換數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)者可以獲取物體或機(jī)器人在不同時(shí)間點(diǎn)的位置和姿態(tài)信息，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和反饋。242三、TF坐標(biāo)變換功能包的使用TF坐標(biāo)變換功能包的使用包括訂閱TF變換和發(fā)布TF變換兩個(gè)方面。1.?訂閱TF變換通過(guò)訂閱TF變換，開(kāi)發(fā)者可以接收并監(jiān)聽(tīng)來(lái)自TF坐標(biāo)變換系統(tǒng)的變換消息，獲取兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，并將其應(yīng)用于機(jī)器人的導(dǎo)航、感知或其他相關(guān)任務(wù)中，進(jìn)行相應(yīng)的處理和決策。2432.?發(fā)布TF變換通過(guò)發(fā)布TF變換，開(kāi)發(fā)者可以向系統(tǒng)發(fā)布坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。ROS系統(tǒng)中可能存在多個(gè)不同的部分同時(shí)發(fā)布TF變換，每個(gè)部分都可以通過(guò)發(fā)布TF變換消息將坐標(biāo)變換關(guān)系直接插入TF樹(shù)中。這種方式無(wú)須另外的同步設(shè)置，各個(gè)部分可以獨(dú)立地向TF樹(shù)中添加坐標(biāo)變換關(guān)系。通過(guò)這種方式，開(kāi)發(fā)者可以方便地管理和維護(hù)坐標(biāo)變換關(guān)系，確保系統(tǒng)中各個(gè)部分的數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上保持同步。244四、TF工具TF提供了豐富的終端工具來(lái)幫助開(kāi)發(fā)者調(diào)試和創(chuàng)建TF變換。1.?tf_monitortf_monitor工具的功能是打印TF樹(shù)中所有坐標(biāo)系的發(fā)布狀態(tài)，命令的格式如下，可以通過(guò)輸入?yún)?shù)來(lái)查看指定坐標(biāo)系的發(fā)布狀態(tài)，程序運(yùn)行結(jié)果如圖所示。$rosruntftf_monitor245246查看坐標(biāo)系的發(fā)布狀態(tài)2.?tf_echotf_echo工具的功能是查看指定坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，命令的格式如下。以小海龜為例，程序運(yùn)行結(jié)果如圖所示。$rosruntftf_echo<source_frame><target_frame>247查看坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系3.?static_transform_publisherstatic_transform_publisher工具的功能是定義兩個(gè)坐標(biāo)系之間的靜態(tài)坐標(biāo)變換，該工具在標(biāo)定機(jī)器人傳感器的位姿時(shí)應(yīng)用較多，命令的格式如下：$static_transform_publisherxyzyawpitchrollframe_idchild_frame_idperiod_in_ms$static_transform_publisherxyzqxqyqzqwframe_idchild_frame_idperiod_in_ms以上兩種命令需要設(shè)置坐標(biāo)的偏移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)。248偏移參數(shù)使用相對(duì)于X、Y、Z三軸的坐標(biāo)位移。旋轉(zhuǎn)參數(shù)的表示方法有兩種，一種是以弧度為單位表示yaw/pitch/roll角度，另一種是使用四元數(shù)表達(dá)旋轉(zhuǎn)角度。發(fā)布頻率以ms為單位。該命令不僅可以在終端中使用，還可以在launch文件中使用，命令格式如下：<launch><nodepkg="tf"type="static_transform_publisher"name="link1_broadcaster"args="1000001link1_parentlink1100"/></launch>2494.?view_framesview_frames是可視化的調(diào)試工具，可以生成pdf文件，顯示整棵TF樹(shù)的信息，以查看整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的坐標(biāo)系層次結(jié)構(gòu)。該命令的格式如下，程序運(yùn)行結(jié)果如圖所示，然后使用pdf閱讀器查看生成的pdf文件，TF樹(shù)如圖所示。$rosruntfview_frames250可視化調(diào)試251TF樹(shù)任務(wù)一機(jī)器人仿真概述01任務(wù)二搭建仿真場(chǎng)景02任務(wù)三在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)SLAM建圖03任務(wù)四在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)導(dǎo)航04252任務(wù)一

機(jī)器人仿真概述2531.?了解仿真的概念、內(nèi)容和模型2.?了解仿真軟件Gazebo的功能和特點(diǎn)3.?掌握Gazebo仿真的步驟任務(wù)目標(biāo)254一、仿真簡(jiǎn)介仿真通過(guò)使用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中的關(guān)鍵過(guò)程，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)研究系統(tǒng)的性質(zhì)和行為。仿真也稱(chēng)為模擬，它涵蓋了物理、數(shù)學(xué)、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)、離散等多種模型類(lèi)型，不僅適用于電氣、機(jī)械、化工、水力、熱力等各類(lèi)系統(tǒng)，還可應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、管理等領(lǐng)域。當(dāng)研究對(duì)象的成本高昂、操作風(fēng)險(xiǎn)高或需要長(zhǎng)時(shí)間才能了解參數(shù)變化的情況時(shí)，仿真是一種特別有效的研究手段?；A(chǔ)知識(shí)255仿真的過(guò)程包括兩個(gè)主要步驟：建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。建立仿真模型涉及對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和關(guān)系進(jìn)行建模以及選擇適當(dāng)?shù)姆抡婀ぞ吆图夹g(shù)。進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)模型設(shè)定初始條件和參數(shù)，運(yùn)行仿真程序并收集仿真數(shù)據(jù)，以評(píng)估系統(tǒng)的性能和響應(yīng)。通過(guò)反復(fù)調(diào)整模型參數(shù)，仿真可以幫助學(xué)習(xí)者深入理解系統(tǒng)的特性、優(yōu)化設(shè)計(jì)和解決問(wèn)題，是一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效的手段。256在機(jī)器人領(lǐng)域，仿真對(duì)于驗(yàn)證機(jī)器人行為、測(cè)試算法、設(shè)計(jì)控制策略等方面具有重要意義。通過(guò)在仿真環(huán)境中模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、感知和交互，可以減少機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和測(cè)試成本，提高開(kāi)發(fā)效率。同時(shí)，仿真還可以提供可視化展示、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果驗(yàn)證等功能，幫助學(xué)習(xí)者更好地理解機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行和行為。因此，掌握仿真技術(shù)對(duì)于機(jī)器人工程師和研究人員而言是非常重要的技能之一。2571.?仿真內(nèi)容機(jī)器人仿真涵蓋了物性數(shù)據(jù)庫(kù)、單元操作模型庫(kù)、模型求解算法庫(kù)、仿真環(huán)境及其輸入輸出，這些部分共同構(gòu)建了一個(gè)完整的機(jī)器人仿真系統(tǒng)。（1）物性數(shù)據(jù)庫(kù)：提供模塊運(yùn)行所需的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)和物性計(jì)算，包括溫度、壓力、密度等參數(shù)。（2）單元操作模型庫(kù)：包括各種模塊，每個(gè)模塊由物料平衡、能量平衡、相平衡、反應(yīng)速率等方程組成的數(shù)學(xué)模型構(gòu)成。這些模型描述了單元操作的行為，如反應(yīng)器、蒸餾塔、傳熱設(shè)備等。258（3）模型求解算法庫(kù)：提供各種數(shù)值求解算法，用于解決仿真模型中的線性方程組、非線性方程組、參數(shù)擬合、最優(yōu)化問(wèn)題等。這些算法能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行求解和優(yōu)化，得到模擬結(jié)果。（4）仿真環(huán)境及其輸入輸出：仿真環(huán)境是管理仿真運(yùn)行的機(jī)構(gòu)，它控制著仿真的進(jìn)行程度和參數(shù)設(shè)置。同時(shí)，仿真環(huán)境還負(fù)責(zé)處理輸入數(shù)據(jù)（如模型參數(shù)、初始條件）并生成輸出結(jié)果（如模擬過(guò)程的變量值、曲線圖、動(dòng)畫(huà)）。2592.?仿真模型仿真模型是用于對(duì)被仿真對(duì)象進(jìn)行模擬和研究的相似物或其結(jié)構(gòu)形式。它可以是物理模型或數(shù)學(xué)模型，但并不是所有對(duì)象都能夠建立物理模型。在某些情況下，為了研究復(fù)雜系統(tǒng)的行為，只能通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行仿真。260建立仿真模型，首先需要將被仿真對(duì)象的行為和特性轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，這涉及描述對(duì)象動(dòng)力學(xué)特性的方程、參數(shù)、約束等。通過(guò)對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行觀察、測(cè)量等，可以獲取必要的數(shù)據(jù)來(lái)支持模型的建立。數(shù)學(xué)模型建立完成后，需要將其轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理的形式，即生成仿真模型。對(duì)于模擬計(jì)算機(jī)，這意味著將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成模擬排列圖，以便通過(guò)模擬的方式進(jìn)行仿真；而對(duì)于數(shù)字計(jì)算機(jī)，則需要將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的源代碼，以便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)。261二、仿真軟件Gazebo1.?Gazebo的功能Gazebo是一個(gè)免費(fèi)的開(kāi)源機(jī)器人模擬環(huán)境，由WillowGarage開(kāi)發(fā)，其啟動(dòng)界面如圖所示。262Gazebo啟動(dòng)界面作為一個(gè)為機(jī)器人開(kāi)發(fā)人員提供多種支持的工具軟件，Gazebo具有以下功能：（1）機(jī)器人模型設(shè)計(jì)。（2）快速原型構(gòu)建與算法測(cè)試。（3）使用真空?qǐng)鼍斑M(jìn)行回歸測(cè)試。（4）室內(nèi)/室外環(huán)境模擬。（5）傳感器數(shù)據(jù)模擬。支持的傳感器包括激光測(cè)距儀、2D/3D相機(jī)、Kinect類(lèi)傳感器、接觸式傳感器、力—扭矩傳感器等。（6）采用面向?qū)ο蟮膱D形渲染引擎（OGRE）進(jìn)行高級(jí)3D對(duì)象和環(huán)境建模。2632.?Gazebo的特點(diǎn)Gazebo的特點(diǎn)如下：（1）動(dòng)力學(xué)仿真：支持多種高性能的物理引擎，如ODE、Bullet、SimBody、DART等。（2）三維可視化環(huán)境：支持顯示三維環(huán)境，包括光線、紋理、影子等。（3）傳感器仿真：支持傳感器數(shù)據(jù)的仿真，同時(shí)可以仿真?zhèn)鞲衅髟肼?。?）可擴(kuò)展插件：用戶(hù)可以定制開(kāi)發(fā)插件，擴(kuò)展Gazebo的功能，滿(mǎn)足個(gè)性化需求。264（5）多種機(jī)器人模型：官方提供PR2、Pioneer2DX、TurtleBot等機(jī)器人模型，用戶(hù)也可以自己創(chuàng)建機(jī)器人模型。（6）TCP/IP傳輸：可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程仿真，即在后臺(tái)進(jìn)行仿真計(jì)算，然后將仿真結(jié)果傳輸?shù)角芭_(tái)顯示。（7）云仿真：仿真可以在Amazon、Softlayer等云端運(yùn)行，也可以在自己搭建的云服務(wù)器上運(yùn)行。（8）終端控制：用戶(hù)可以使用Gazebo提供的命令行工具在終端實(shí)現(xiàn)仿真控制。2653.?Gazebo仿真的步驟使用Gazebo軟件進(jìn)行仿真通常包括以下三個(gè)步驟：（1）創(chuàng)建仿真環(huán)境。首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)仿真環(huán)境，該環(huán)境可以是室內(nèi)或室外的場(chǎng)景，包括地面、墻壁、障礙物等?？梢酝ㄟ^(guò)Gazebo提供的圖形界面或配置文件，添加和調(diào)整環(huán)境中的各種元素，以滿(mǎn)足仿真需求。這樣的仿真環(huán)境能夠?yàn)闄C(jī)器人提供合適的場(chǎng)景和條件，使仿真更加真實(shí)和準(zhǔn)確。266（2）配置機(jī)器人模型。需要在仿真環(huán)境中為機(jī)器人創(chuàng)建相應(yīng)的模型，包括機(jī)器人的外觀、物理屬性、傳感器等。通過(guò)Gazebo提供的建模工具或?qū)氍F(xiàn)有的機(jī)器人模型，可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行詳細(xì)配置和設(shè)置，包括機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、關(guān)節(jié)、運(yùn)動(dòng)控制等方面的定義。配置機(jī)器人模型時(shí)，還可以添加傳感器模型，如攝像頭、激光雷達(dá)等，以使仿真更加逼真和全面。267（3）正式啟動(dòng)仿真。仿真環(huán)境和機(jī)器人模型配置完成后，即可正式啟動(dòng)仿真。通過(guò)Gazebo的控制界面，可以啟動(dòng)仿真并觀察機(jī)器人在仿真環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)和行為，可以通過(guò)調(diào)整仿真參數(shù)、設(shè)置機(jī)器人的目標(biāo)和任務(wù)等來(lái)探索不同的場(chǎng)景和情境。同時(shí)，Gazebo還提供了豐富的工具和功能，如實(shí)時(shí)調(diào)試、數(shù)據(jù)記錄、可視化分析等，以支持仿真的監(jiān)控和評(píng)估。268任務(wù)二

搭建仿真場(chǎng)景2691.?了解Gazebo主界面的組成及各部分的功能2.?能使用Gazebo搭建仿真場(chǎng)景任務(wù)目標(biāo)270Gazebo主界面介紹Gazebo的主界面如圖所示，與RViz的界面非常相似。中央窗口顯示的是Gazebo的3D環(huán)境模型，窗口中的柵格表示環(huán)境模型的地平面，所有的環(huán)境元素都位于地平面之上。與RViz類(lèi)似，Gazebo使用米或千米作為標(biāo)準(zhǔn)的距離計(jì)量單位。Gazebo還具備與RViz相同的光標(biāo)/鼠標(biāo)控制功能?；A(chǔ)知識(shí)271272Gazebo主界面1.?菜單欄菜單欄位于主界面的頂部，提供了Gazebo的基本控制和配置選項(xiàng)，使用戶(hù)能夠在仿真環(huán)境中進(jìn)行各種操作。2.?3D視圖區(qū)3D視圖區(qū)是Gazebo主界面的核心區(qū)域，用于顯示仿真環(huán)境的三維模型。用戶(hù)可以通過(guò)該區(qū)域觀察和控制仿真過(guò)程，包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、物體的交互等。2733.?工具欄工具欄位于主界面上方，如圖所示。工具欄提供一系列常用的控制仿真過(guò)程的工具，例如，用戶(hù)可以在工具欄中選擇不同的工具（如選擇、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)）來(lái)操作模型。274Gazebo工具欄選擇模式：在場(chǎng)景中做標(biāo)注。移動(dòng)模式：選擇要移動(dòng)的模型，可以沿X軸、Y軸、Z軸或任意方向移動(dòng)模型。旋轉(zhuǎn)模式：選擇要旋轉(zhuǎn)的模型，可以沿X軸、Y軸、Z軸或任意方向旋轉(zhuǎn)模型?？s放模式：選擇要縮放的模型，可以沿X軸、Y軸、Z軸或任意方向縮放模型。撤銷(xiāo)/重做：在場(chǎng)景中撤銷(xiāo)/重做動(dòng)作。275基礎(chǔ)形狀：將簡(jiǎn)單的形狀插入場(chǎng)景中。照明燈光：將燈光添加到場(chǎng)景中。復(fù)制/粘貼：在場(chǎng)景中復(fù)制/粘貼模型。對(duì)齊：將模型對(duì)齊。捕捉：將一個(gè)模型捕捉到另一個(gè)模型。切換視圖：從多種角度查看場(chǎng)景。屏幕截圖：將屏幕畫(huà)面截圖保存。保存日志：保存Gazebo的運(yùn)行日志。2764.?模型列表模型列表位于主界面的左側(cè)，顯示了當(dāng)前仿真環(huán)境中可用的模型。用戶(hù)可以從列表中選擇需要添加或操作的模型，如機(jī)器人、傳感器、物體等。通過(guò)拖拽模型到3D視圖區(qū)，用戶(hù)可以將其放置到指定位置進(jìn)行仿真。模型列表中有三個(gè)選項(xiàng)卡：World（世界）：該選項(xiàng)卡顯示當(dāng)前場(chǎng)景中的模型并允許用戶(hù)查看和修改模型的參數(shù)，用戶(hù)還可以展開(kāi)“GUI”選項(xiàng)并調(diào)整相機(jī)的姿態(tài)以改變視角。277Insert（插入）：該選項(xiàng)卡用于為仿真場(chǎng)景添加新的對(duì)象（模型）。用戶(hù)需要單擊該選項(xiàng)卡以查看模型列表，然后選中目標(biāo)模型，在場(chǎng)景中單擊鼠標(biāo)左鍵即可將其添加到場(chǎng)景中。Layers（圖層）：該選項(xiàng)卡用于組織并顯示仿真場(chǎng)景中可用的不同可視化組（若有）。每個(gè)圖層可以包含一個(gè)或多個(gè)模型，通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉圖層，用戶(hù)可以顯示或隱藏該圖層中的模型。2785.?模型屬性項(xiàng)模型屬性項(xiàng)位于主界面的左側(cè)或右側(cè)，顯示當(dāng)前選定模型的屬性和參數(shù)。用戶(hù)可以通過(guò)修改屬性項(xiàng)中的數(shù)值或選項(xiàng)來(lái)調(diào)整模型的屬性，如位置、大小、質(zhì)量等。這些屬性的調(diào)整將影響仿真過(guò)程中模型的行為和相互作用。2796.?時(shí)間顯示區(qū)時(shí)間顯示區(qū)位于主界面底部，如圖所示。用戶(hù)可以通過(guò)時(shí)間顯示區(qū)來(lái)監(jiān)控仿真的進(jìn)程，以便進(jìn)行時(shí)間的調(diào)整和觀察仿真過(guò)程的變化。280Gazebo時(shí)間顯示區(qū)模擬時(shí)間（仿真時(shí)間）是指仿真環(huán)境中的時(shí)間，它用于模擬系統(tǒng)中各種事件的發(fā)生和演化。在仿真過(guò)程中，可以根據(jù)需要對(duì)模擬時(shí)間進(jìn)行加速或減速，這取決于仿真所需的計(jì)算量和精度。與模擬時(shí)間相對(duì)應(yīng)的是實(shí)時(shí)時(shí)間（真實(shí)時(shí)間），它是指仿真器經(jīng)歷的實(shí)際時(shí)間。模擬時(shí)間與實(shí)時(shí)時(shí)間的比值稱(chēng)為實(shí)時(shí)因子（RTF），實(shí)時(shí)因子可以用來(lái)衡量仿真運(yùn)行的快慢程度。當(dāng)實(shí)時(shí)因子為1時(shí)，表示模擬時(shí)間與實(shí)時(shí)時(shí)間一致。當(dāng)實(shí)時(shí)因子小于1時(shí)，表示模擬時(shí)間比實(shí)時(shí)時(shí)間快，即仿真加速；當(dāng)實(shí)時(shí)因子大于1時(shí)，表示模擬時(shí)間比實(shí)時(shí)時(shí)間慢，即仿真減速。281實(shí)時(shí)因子的調(diào)整可以根據(jù)仿真的需求和計(jì)算資源的限制進(jìn)行，通過(guò)控制實(shí)時(shí)因子，可以使仿真在合理的時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)確保仿真的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)時(shí)因子的設(shè)定對(duì)于仿真過(guò)程的控制和結(jié)果的分析都具有重要意義。迭代次數(shù)隨著世界狀態(tài)的迭代而更新，用戶(hù)可以在時(shí)間顯示區(qū)的右側(cè)查看迭代次數(shù)。每次迭代都會(huì)將仿真推進(jìn)一個(gè)固定的秒數(shù)，稱(chēng)為步長(zhǎng)。默認(rèn)情況下，步長(zhǎng)為1ms。用戶(hù)可以單擊暫停按鈕暫停模擬，并通過(guò)步進(jìn)按鈕一次性步進(jìn)多步。282任務(wù)三

在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)SLAM建圖2831.?了解ROS中的地圖2.?了解SLAM建圖3.?了解Gmapping算法4.?能在仿真中實(shí)現(xiàn)SLAM建圖任務(wù)目標(biāo)284一、ROS中的地圖為了使機(jī)器人順利到達(dá)目的地，機(jī)器人需要描述環(huán)境并對(duì)其進(jìn)行認(rèn)知，這主要依賴(lài)于地圖。機(jī)器人利用環(huán)境地圖來(lái)描述當(dāng)前環(huán)境信息，根據(jù)使用的算法和傳感器的不同，地圖的表示形式也會(huì)有所差異。在機(jī)器人學(xué)中，地圖主要包括柵格地圖、特征地圖、直接表征法地圖和拓?fù)涞貓D。其中，柵格地圖是目前機(jī)器人領(lǐng)域中最常用的。它類(lèi)似于人們所熟悉的地圖，本質(zhì)上是一張位置圖像，但每個(gè)像素點(diǎn)表示了實(shí)際環(huán)境中障礙物的概率分布?；A(chǔ)知識(shí)285在ROS中，地圖通常指的是柵格地圖，它可以被理解為一張常見(jiàn)的灰度圖像。圖像中黑色像素表示障礙物所在區(qū)域，白色像素表示可行區(qū)域，而灰色像素則表示尚未被探索的區(qū)域，如圖所示。286ROS中的地圖地圖在機(jī)器人領(lǐng)域扮演著重要的角色，它是機(jī)器人導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)，機(jī)器人可以借助地圖來(lái)感知和理解周?chē)h(huán)境。利用地圖，機(jī)器人可以規(guī)劃路徑，避開(kāi)障礙物，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。地圖的生成通常需要借助激光雷達(dá)、攝像頭或其他傳感器來(lái)進(jìn)行環(huán)境探測(cè)，然后根據(jù)探測(cè)到的信息生成灰度圖像。這樣的地圖表示方式簡(jiǎn)單直觀，方便機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行處理和導(dǎo)航?jīng)Q策。287二、SLAM建圖SLAM（simultaneouslocalizationandmapping）也稱(chēng)為CML（concurrentmappingandlocalization），意為即時(shí)定位與地圖構(gòu)建，是一種解決機(jī)器人在未知環(huán)境中進(jìn)行自主定位和建圖問(wèn)題的技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，SLAM建圖就是讓機(jī)器人在未知環(huán)境中，通過(guò)不斷移動(dòng)和觀測(cè)，逐步確定自身位置，并構(gòu)建出包含環(huán)境中所有可到達(dá)角落的完整地圖。288SLAM建圖的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地確定機(jī)器人的位置，并將觀測(cè)到的地圖信息與機(jī)器人位置進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)SLAM建圖，機(jī)器人通常會(huì)借助多種傳感器，如激光雷達(dá)、攝像頭、里程計(jì)等，以獲取環(huán)境信息和機(jī)器人移動(dòng)數(shù)據(jù)。通過(guò)融合這些傳感器的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置和地圖的估計(jì)與更新。SLAM技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如無(wú)人車(chē)、無(wú)人機(jī)、自主導(dǎo)航機(jī)器人等。它為機(jī)器人在未知環(huán)境中的自主定位和導(dǎo)航提供了關(guān)鍵的解決方案，使機(jī)器人能夠在復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的環(huán)境中進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和建圖，從而實(shí)現(xiàn)各種任務(wù)的完成和路徑規(guī)劃的優(yōu)化。289三、Gmapping算法ROS提供了多種基于2D激光的SLAM算法，包括HectorSLAM、Gmapping、KartoSLAM、CoreSLAM和LagoSLAM。此外，經(jīng)典算法cartographer也被改編為基于ROS的版本cartographer_ros。本任務(wù)將重點(diǎn)介紹Gmapping算法。290Gmapping是一種高效的Rao-Blackwellized粒子濾波器，用于根據(jù)激光雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)生成2D柵格地圖。它能夠?qū)崟r(shí)構(gòu)建室內(nèi)地圖，當(dāng)構(gòu)建小型場(chǎng)景地圖時(shí)計(jì)算量較小且具有較高的精度。Gmapping算法的核心思想是通過(guò)粒子濾波器對(duì)機(jī)器人的位姿進(jìn)行估計(jì)，并使用最大似然法來(lái)更新地圖。算法通過(guò)建模和匹配激光雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)，利用自適應(yīng)的粒子采樣和權(quán)重更新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人位置和地圖的聯(lián)合估計(jì)。Gmapping算法在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)被廣泛驗(yàn)證，并且具有較好的性能。291在ROS中進(jìn)行SLAM建圖時(shí)，使用Gmapping算法構(gòu)建地圖是第一步，也是非常重要的一步，需要配置適當(dāng)?shù)膮?shù)，如地圖分辨率、粒子數(shù)量等，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的需求。通過(guò)運(yùn)行Gmapping節(jié)點(diǎn)，機(jī)器人可以在實(shí)時(shí)更新的地圖中進(jìn)行定位和導(dǎo)航，為后續(xù)的路徑規(guī)劃和自主導(dǎo)航提供準(zhǔn)確的環(huán)境信息。Gmapping的主要框架如圖所示。292293Gmapping的主要框架任務(wù)四

在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)導(dǎo)航2941.?了解導(dǎo)航功能包2.?了解地圖的構(gòu)建與定位3.?了解代價(jià)地圖和地圖規(guī)劃4.?能在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)導(dǎo)航任務(wù)目標(biāo)295一、導(dǎo)航（navigation）功能包機(jī)器人導(dǎo)航是機(jī)器人的基本功能之一，ROS提供了完整的導(dǎo)航解決方案，包括全局路徑規(guī)劃、局部路徑規(guī)劃、代價(jià)地圖、異常行為恢復(fù)等功能，這些功能被集成在ROS的NavigationStack元功能包中。NavigationStack提供了一套強(qiáng)大而靈活的導(dǎo)航框架，可以適應(yīng)不同類(lèi)型的機(jī)器人和各種復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航需求?；A(chǔ)知識(shí)296使用導(dǎo)航功能包的前提條件是機(jī)器人運(yùn)行ROS、發(fā)布tf變換樹(shù)和使用ROS消息類(lèi)型的傳感器數(shù)據(jù)。在使用ROS導(dǎo)航功能包時(shí)，需要對(duì)導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)配置，包括地圖分辨率、全局和局部路徑規(guī)劃器的參數(shù)、代價(jià)地圖的參數(shù)等。這些參數(shù)可以根據(jù)機(jī)器人的特性和實(shí)際環(huán)境的要求來(lái)設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)高效、安全和可靠的導(dǎo)航。通過(guò)使用ROS導(dǎo)航功能包，機(jī)器人可以在未知環(huán)境中進(jìn)行自主導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)從起始位置到目標(biāo)位置的路徑規(guī)劃和移動(dòng)，為機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的任務(wù)執(zhí)行提供了重要支持。297二、地圖的構(gòu)建與定位ROS地圖的構(gòu)建與定位是實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和環(huán)境感知的關(guān)鍵步驟，它使機(jī)器人能夠