最近幾年各種移動(dòng)機(jī)器人開始涌現(xiàn)出來(lái)，不論是輪式的還是履帶式的，如何讓移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)都是最核心的工作。要讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、機(jī)械臂控制、導(dǎo)航規(guī)劃等一系列功能，就需要操作系統(tǒng)的支持，而ROS就是最重要的軟件平臺(tái)之一，它在科研領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。
不過有關(guān)ROS的書籍并不多，國(guó)內(nèi)可供的學(xué)習(xí)社區(qū)就更少了。本期硬創(chuàng)公開課就帶大家了解一下如何利用ROS來(lái)設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人。
分享嘉賓李金榜：EAI科技創(chuàng)始人兼CEO，畢業(yè)于北京理工大學(xué)，碩士學(xué)位。曾在網(wǎng)易、雪球、騰訊技術(shù)部有多年linux底層技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。2015年聯(lián)合創(chuàng)立EAI科技，負(fù)責(zé)SLAM算法研發(fā)及相關(guān)定位導(dǎo)航軟件產(chǎn)品開發(fā)。EAI科技，專注機(jī)器人移動(dòng)，提供消費(fèi)級(jí)高性能激光雷達(dá)、slam算法和機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)。
移動(dòng)機(jī)器人的三個(gè)部分
所謂的智能移動(dòng)，是指機(jī)器人能根據(jù)周圍的環(huán)境變化，自主地規(guī)劃路線、避障，到達(dá)目標(biāo)地。
機(jī)器人是模擬人的各種行為，想象一下，人走動(dòng)需要哪些器官的配合？首先用眼睛觀察周圍環(huán)境，然后用腦去分析如何走才能到達(dá)目標(biāo)地，接著用腿走過去，周而復(fù)始，直到到達(dá)目標(biāo)地址為至。機(jī)器人如果要實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)，也需要眼、腦和腿這三部分的緊密配合。
腿
腿是機(jī)器人移動(dòng)的基礎(chǔ)。機(jī)器人的腿不局限于類人或類動(dòng)物的腿，也可以是輪子、履帶等，能讓機(jī)器人移動(dòng)起來(lái)的部件，都可以籠統(tǒng)地稱為腿。
類人的腿式優(yōu)點(diǎn)是：既可以在復(fù)雜路況（比如爬樓梯）下移動(dòng)、也可以更形象地模仿人的動(dòng)作（比如跳舞），缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)和控制單元比較復(fù)雜、造價(jià)高、移動(dòng)慢等。
所以大部分移動(dòng)的機(jī)器人都是輪式機(jī)器人，其優(yōu)勢(shì)在于輪子設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、移動(dòng)快。而輪式的也分為多種：兩輪平衡車、三輪、四輪和多輪等等。目前最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的是兩個(gè)主動(dòng)輪+一個(gè)萬(wàn)向輪。
眼睛
機(jī)器人的眼睛其實(shí)就是一個(gè)傳感器。它的作用是觀察周圍的環(huán)境，適合做機(jī)器人眼睛的有激光雷達(dá)、視覺（深度相機(jī)、單雙相機(jī)）、輔助（超聲波測(cè)距、紅外測(cè)距)等。
腦
機(jī)器人的大腦就負(fù)責(zé)接收眼睛傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出路線，指揮腿去移動(dòng)。
其實(shí)就是要把看到的東西轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)語(yǔ)言。針對(duì)如何描述數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)處理邏輯等一系列問題。ROS系統(tǒng)給我們提供一個(gè)很好的開發(fā)框架。
ROS簡(jiǎn)介
ROS是建立在linux之上的操作系統(tǒng)。它的前身是斯坦福人工智能實(shí)驗(yàn)室為了支持斯坦福智能機(jī)器人而建立項(xiàng)目，主要可以提供一些標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)，例如硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用功能實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理。
ROS是基于一種圖狀架構(gòu)，從而不同節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程能接受、發(fā)布、聚合各種信息（例如傳感，控制，狀態(tài)，規(guī)劃等等）。目前ROS主要支持Ubuntu操作系統(tǒng)。
有人問ROS能否裝到虛擬機(jī)里，一般來(lái)說是可以的，但是我們建議裝個(gè)雙系統(tǒng)，用Ubuntu專門跑ROS。
實(shí)際上，ROS可以分成兩層，低層是上面描述的操作系統(tǒng)層，高層則是廣大用戶群貢獻(xiàn)的實(shí)現(xiàn)不同功能的各種軟件包，例如定位繪圖，行動(dòng)規(guī)劃，感知，模擬等等。ROS（低層）使用BSD許可證，所有是開源軟件，并能免費(fèi)用于研究和商業(yè)用途，而高層的用戶提供的包則使用很多種不同的許可證。
用ROS實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)
對(duì)于二維空間，使用線速度+角速度可以實(shí)現(xiàn)輪式機(jī)器的隨意移動(dòng)。
線速度：描述機(jī)器人前后移動(dòng)的速度大小
角速度：描述機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度大小
所以控制機(jī)器人移動(dòng)主要是要把線速度角速度轉(zhuǎn)換為左右輪的速度大小，然后，通過輪子直徑和輪間距，可以把線速度和角速度轉(zhuǎn)化為左輪和右輪的速度大小。
這里有一個(gè)關(guān)鍵問題就是編碼器的選擇和pid的調(diào)速。
編碼器的選擇：一般編碼器和輪子是在一個(gè)軸上，目前來(lái)說，速度在0.7m/s以下的話，編碼器選600鍵到1200鍵之間都o(jì)k。不過需要注意的是，編碼器最好用雙線的，A、B兩線輸出，A向和B向輸出相差90度，這樣可以防抖動(dòng)。防抖動(dòng)就是可以在之后里程計(jì)算時(shí)可以更準(zhǔn)確。
左輪和右輪的速度大小的控制，通過輪子編碼器反饋，通過PID實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的PMW來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)計(jì)算出小車的里程計(jì)(odom)，得到小車移動(dòng)位置的變化。
計(jì)算車的位置變化是通過編碼器來(lái)計(jì)算的，如果輪子打滑等情況，庫(kù)卡機(jī)器人，那么計(jì)算的變化和實(shí)際的變化可能不同。要解決這個(gè)問題，其實(shí)是看那個(gè)問題更嚴(yán)重。要走5米只走了4.9米重要，還是要走180度只走了179度重要。
其實(shí)角度的不精確對(duì)小車的影響更大。一般來(lái)說，小車的直線距離精確度可以控制在厘米范圍內(nèi)，在角度方面可以控制精準(zhǔn)度在1%~2%。因?yàn)榻嵌仁潜容^重要的參數(shù)，所以很多人就用陀螺儀來(lái)進(jìn)行矯正。
所以有時(shí)候大家問小車精度有多高？其實(shí)現(xiàn)在這樣已經(jīng)精度比較高了，難免打滑等問題，不可能做到百分之百的精準(zhǔn)。
小車在距離和角度方面做到現(xiàn)在這樣對(duì)于自建地圖導(dǎo)航已經(jīng)是可以接受的，要提高更高的精度可能就要其他設(shè)備輔助，比如激光雷達(dá)來(lái)進(jìn)行輔助，激光雷達(dá)可以進(jìn)行二次檢測(cè)進(jìn)行糾正。
激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式，它首先會(huì)有一個(gè)大小范圍，如果超出范圍是無(wú)效的。還有就是有幾個(gè)采樣點(diǎn)，這樣就可以激光雷達(dá)可以告訴你隔多少度有一個(gè)采樣點(diǎn)。
另外最后那個(gè)Intensities是告訴大家數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，因?yàn)榧す饫走_(dá)也是取最高點(diǎn)的數(shù)據(jù)，是有一定的準(zhǔn)確率的。上面的ppt其實(shí)就是用激光雷達(dá)掃了一個(gè)墻的形狀。
激光雷達(dá)掃出一個(gè)靜態(tài)形狀其實(shí)沒有意義，雷達(dá)建圖的意義其實(shí)在于建立房間的地圖。
如何繪制地圖？
第一步是收集眼睛數(shù)據(jù)：
針對(duì)激光雷達(dá)，ROS在sensor_msgs包中定義了專用了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)激光消息的相關(guān)信息，成為L(zhǎng)aserScan。
它指定了激光的有效范圍、掃描點(diǎn)采樣的角度及每個(gè)角度的測(cè)量值。激光雷達(dá)360度實(shí)時(shí)掃描，能實(shí)時(shí)測(cè)出障礙物的距離、形狀和實(shí)時(shí)變化。
第二步就是把眼睛看到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地圖：
ROS的gmapping把激光雷達(dá)的/scan數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格map數(shù)據(jù)，其中黑色代表障礙物、白色代表空白區(qū)域，可以順利通行、灰色：未知領(lǐng)域。隨著機(jī)器人的移動(dòng)，激光雷達(dá)可以在多個(gè)不同方位觀測(cè)同一個(gè)位置是否有障礙物，如果存在障礙物的閾值超過設(shè)置值是，庫(kù)卡機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器維修，就標(biāo)定此處是存在障礙物；否則標(biāo)定不存在障礙物。把障礙物、空白區(qū)域和未知領(lǐng)域的尺寸用不同灰度表示出來(lái)，就是柵格地圖。便于下一步定位和導(dǎo)航。
有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)很直的墻，機(jī)器人卻無(wú)法直著行走，這時(shí)的問題可能就是機(jī)器人的輪子出現(xiàn)打滑等其他問題，而走歪了，這時(shí)繪制出的地圖也可能是歪的。這種情況可以通過加一個(gè)陀螺儀來(lái)避免這個(gè)情況。因?yàn)榧す饫走_(dá)的特性，有時(shí)候遇到黑色或鏡面會(huì)導(dǎo)致測(cè)距不準(zhǔn)。
目前的解決方法就是不用激光雷達(dá)，或者用激光雷達(dá)和超聲波進(jìn)行輔助處理。
ROS的地圖是分多層的，我可以在不同高度放多臺(tái)激光雷達(dá)來(lái)一起疊加，共同繪制一張地圖。地圖繪制結(jié)束之后，就可以進(jìn)行定位和導(dǎo)航等工作。
如何定位和導(dǎo)航？
定位：其實(shí)是概率性的定位，而不是100%的精度。根據(jù)激光雷達(dá)掃描周圍障礙物的形狀，與地圖的形狀做匹配，判斷機(jī)器人所在位置的概率