启智CV机器人 | 麦克纳姆轮底盘运动学实验

 

启智CV机器人是一套侧重机器人软件算法学习的机器人模块化套件。采用免螺丝的独特装配方式，缩短装配手工时间。在有限的实验课时里，可以快速搭建起机器人硬件本体，而将主要精力集中于ROS软件学习丶机器视觉算法的实验学习。

一、开发环境、组装

• 结构组成

 

• 系统版本

启智CV机器人同时支持基于基于Ubuntu 14.04的Indigo版本以及基于Ubuntu 16.04的Kinetic版本。

• IDE

开发环境:RoboWare Studio。

• 组装图

麦克纳姆轮底盘的轮子有两种，主轮上的小轮安装方向不一样。其中左前轮和右后轮的轮子类型一致，小轮的排布形状如下：

 

右前轮和左后轮的类型一致，小轮的排布形状如下：

 

四个麦克纳姆轮轮组的电机模块都有各自的ID，需要按照特定的顺序进行排布。

 

如图所示，以摄像头朝向为机器人的前方，电机模组的排布顺序是：

• 左前侧安装的电机模块的ID为1；

• 右前侧安装的电机模块的ID为2；

• 右后侧安装的电机模块的ID为3；

• 左后侧安装的电机模块的ID为4；

机器人组装完毕后，将四个电机模块使用线缆串联，并和主控制器的电机插头连接。

 

二、代码编辑

1、从机载电脑的Ubuntu桌面左侧的启动栏里点击“RoboWare Studio”的图标，启动RoboWare Studio。

2、启智机器人的主控电脑出厂前会设置好工作区，所以当RoboWare Studio启动后，会在界面左上部分显示“CATKIN_WS”这个工作区。

 

如果显示的是“无打开的工作区”，那么需要进行工作区创建，点击“创建工作区”按钮，创建新的工作区。

 

鼠标右键点击CATKIN_WS工作区里的“src”目录，点击“新建ROS包”。

 

为这个新建的ROS包输入名字和依赖项：“mecanum_control_package roscpp std_msgs”，其中mecanum_control_package是新建的包的名字，后面的几项是这个包需要的依赖项。

 

在新建的mecanum_control_package包下面，自动生成了一个src目录（注意和CATKIN_WS的src目录区分开），用来装我们即将编写的节点源码文件。鼠标右键点击mecanum_control_package下的src目录（注意和CATKIN_WS的src目录区分开），选择“新建CPP源文件”。

 

输入文件名“mecanum_control_node.cpp”，按下回车键确认。

 

回车键按下时，会弹出以下列表：

    ● 加入到新的库文件中

    ● 加入到新的可执行文件

这里我们选择“加入到新的可执行文件”

此时mecanum_control_package下的src目录会生成一个名为mecanum_control_node.cpp的文件，同时RoboWare Studio右侧的工作区可以输入文本字符了，我们将在这个文本工作区里编写速度控制节点的源代码。

3、在RoboWare Studio右侧的工作区编写mecanum_control_node.cpp的代码：

#include <ros/ros.h> #include <geometry_msgs/Twist.h>   static int state = 0;   int main(int argc, char** argv) {     ros::init(argc, argv, " mecanum_control");     ros::NodeHandle n;     ros::Publisher vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("/cmd_vel", 10);     ros::Rate loop_rate(0.5);     geometry_msgs::Twist vel_cmd;       while(ros::ok())     {         switch(state)         {             case 0:                 vel_cmd.linear.x = 0;                 vel_cmd.linear.y = 0;                 vel_cmd.linear.z = 0;                 vel_cmd.angular.x = 0;                 vel_cmd.angular.y = 0;                 vel_cmd.angular.z = 0;                 vel_pub.publish(vel_cmd);                 printf("[启智CV] 停止\n");                 state ++;                 break;             case 1:                 vel_cmd.linear.x = 0.1;                 vel_pub.publish(vel_cmd);                 printf("[启智CV] 前进\n");                 state ++;                 break;             case 2:                 vel_cmd.linear.x = 0;                 vel_cmd.linear.y = -0.1;                 vel_pub.publish(vel_cmd);                 printf("[启智CV] 右平移\n");                 state ++;                 break;             case 3:                 vel_cmd.linear.x = -0.1;                 vel_cmd.linear.y = 0;                 vel_pub.publish(vel_cmd);                 printf("[启智CV] 后退\n");                 state ++;                 break;             case 4:                 vel_cmd.linear.x = 0;                 vel_cmd.linear.y = 0.1;                 vel_pub.publish(vel_cmd);                 printf("[启智CV] 左平移\n");                 state ++;                 break;             case 5:                 vel_cmd.linear.x = 0;                 vel_cmd.linear.y = 0;                 vel_pub.publish(vel_cmd);                 printf("[启智CV] 结束\n");                 break;         }         ros::spinOnce();         loop_rate.sleep();     }     return 0; }

(1)  代码的开始部分，先include了两个头文件，一个是ros的系统头文件，另一个是运动速度消息类型geometry_msgs::Twist的定义文件。

(2)  然后定义一个状态变量state，这个变量将会作为后面控制机器人运动状态变化的信号量，初值赋为0。

(3)  ROS节点的主体函数是int main(int argc, char** argv)，其参数定义和其他C++程序一样。

(4)  main函数里，首先调用ros::init(argc, argv, "mecanum_control");进行该节点的初始化操作，函数的第三个参数是节点名称。

(5)  接下来声明一个ros::NodeHandle对象n，并用n生成一个广播对象vel_pub，调用的参数里指明了vel_pub将会在主题“/cmd_vel”里广播geometry_msgs::Twist类型的消息。我们对机器人的控制，就是通过这个广播形式实现的。

(6)  在这个程序里，我们将会以一个固定的周期向底盘发送速度值，所以需要定义一个ros::Rate对象loop_rate，在构造参数里，我们给了0.5这个初始值，意思是每秒里发送0.5次速度值，也就是2秒钟发送一次速度值，这样留了足够的时间给我们观察机器人运动。

(7)  为了发送速度值，声明一个geometry_msgs::Twist类型的消息对象vel_cmd，并将速度值赋值到这个对象里。其中：

vel_cmd.linear.x是机器人前后平移运动速度，正值往前，负值往后，单位是“米/秒”；

vel_cmd.linear.y是机器人左右平移运动速度，正值往左，负值往右，单位是“米/秒”；

vel_cmd.angular.z（注意angular）是机器人自转速度，正值左转，负值右转，单位是“弧度/秒”；

其他值对启智机器人来说没有意义，所以都赋值为零。

(8)  为了连续不断的发送速度，使用一个while(ros::ok())循环，以ros::ok()返回值作为循环结束条件可以让循环在程序关闭时正常退出。

(9)  在while循环里，使用switch对state状态变量的不同取值进行分支程序构建，形成一个有限状态机。在不同的分支里，对vel_cmd进行不同赋值，并使用广播对象vel_pub将其发布到主题“/cmd_vel”上去。机器人的核心节点会从这个主题接收我们发过去的速度值，并转发到硬件机体去执行。我们为有限状态机设置了六个状态：

state状态值	对应的行为
0	机器人的初始状态为停止状态
1	机器人以0.1米/秒的速度向前移动
2	机器人以0.1米/秒的速度向右移动
3	机器人以0.1米/秒的速度向后移动
4	机器人以0.1米/秒的速度向左平移
5	机器人停下来不再移动

程序将这六个状态执行一遍之后，会停留在最后一个状态，结束执行。

(10)  调用ros::spinOnce()函数给其他回调函数得以执行（本例程未使用回调函数）。

(11)  调用loop_rate.sleep()来控制while循环的运行周期，在构建loop_rate时我们赋了初值0.2，意思是每秒循环0.2次，也就是每5秒while循环一次。

(12)  程序编写完后，代码并未马上保存到文件里，此时会看到界面右上编辑区的文件名“mecanum_control_node.cpp”右侧有个白色小圆点，标示此文件并未保存。

代码编写完毕后，按下键盘组合键“Ctrl + S”保存代码文件，界面右上编辑区的文件名标题“mecanum_control_node.cpp”右侧的白色小圆点变成了白色关闭按钮，说明代码文件变更内容已经保存进文件，然后可以开始编译了。

三、代码编译与执行

1、编译过程。

下面开始进行代码文件的编译操作，启动一个终端程序，键入如下命令进入ROS的工作空间：

cd catkin_ws/

 

然后再执行如下命令开始编译：

catkin_make

稍等片刻，直到显示编译进度“[100%]”字样，表示编译成功。

 

2、修改机器人的底盘控制模式。

启智CV机器人采用模块化可重组的底盘结构，所以底盘类型会存在多种可能，每种类型的控制方式各有差别，所以在软件上，通过一个配置文件来进行底盘类型的配置。该文件在文件夹“~/catkin_ws/src/wpb_cv/wpb_cv_bringup/config”下，文件名为“settings.yaml”，可以在RoboWare Studio里编译。在这个配置文件的前面几行，可以看到“chassis_type”这个变量，其取值含义见第四节实验内容。在这里，我们使用的是“麦克纳姆轮模式”，所以需要给配置文件里的“chassis_type”赋值“mecanum”。然后按下键盘组合键“Ctrl + S”对配置文件的修改结果进行保存。

 

3、运动执行

（1）启动启智机器人的核心节点。

从Ubuntu桌面左侧的启动栏里点击“Terminal”终端图标，启动终端程序（也可以通过同时按下键盘组合键“Ctrl + Alt + T”来启动）。输入以下指令：

输入以下指令：

roslaunch wpb_cv_bringup minimal.launch

按下回车键后，会显示节点初始化信息:

 

注意：启动机器人核心节点后，需要从初始化信息里确认底盘类型是否正确，比如这里的初始化信息最后显示“[设置]麦克纳姆轮底盘”。如果提示的底盘类型不正确，请检查上一步里settings.yaml的文件内容，同时确认修改完后确实保存成功。

（2）启动mecanum_control_node节点。

首先确认机器人底盘控制器的电源都已经打开。然后从Ubuntu桌面左侧的启动栏里点击“Terminal”终端图标，启动终端程序（也可以通过同时按下键盘组合键“Ctrl + Alt + T”来启动）。输入以下指令：

注意这里我们使用的是rosrun命令而不是之前的roslaunch。rosrun是启动单个ROS节点的指令。按下回车键后，机器人会按照终端信息提示先前进，然后右平移，再后退，最后左平移，形成一个正方形移动轨迹。完成上述动作后，机器人停止移动，执行结束。

四、运行结果

1、机器本体运行状态

2、笔记本获取数据反馈信息

3、拓展

尝试在代码里给vel_cmd.linear.x赋值一个负数，编译运行，查看机器人的移动状况。同样的方法，再对vel_cmd.lin

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