使用Bittle和Raspberry Pi 4的ROS SLAM

描述

本文的主題將是 SLAM 和 ROS 映射。我們將使用來(lái)自 Petoi 的敏捷四足機(jī)器人 Bittle，它在上個(gè)月完成了他們的 Kickstarter 活動(dòng)并取得了巨大成功。

首先讓我們從一些理論開始。

2022 年 4 月 4 日更新。我盡我所能定期更新我的文章，并根據(jù)您在 YouTube/Hackster 評(píng)論部分的反饋。如果您想表達(dá)對(duì)這些努力的支持和贊賞，請(qǐng)考慮給我買杯咖啡（或披薩）:)。

什么是SLAM？

SLAM 代表 Simultaneous Localization and Mapping - 它是一組算法，允許計(jì)算機(jī)創(chuàng)建 2D 或 3D 空間地圖并確定其在其中的位置。雖然 SLAM 本身并不是導(dǎo)航，但擁有地圖并知道您在地圖上的位置是從 A 點(diǎn)導(dǎo)航到 B 點(diǎn)的先決條件。

我們可以使用各種傳感器來(lái)接收有關(guān)可用于映射的環(huán)境的數(shù)據(jù)

• 激光掃描儀（一維和二維（掃描）激光測(cè)距儀）
• 相機(jī)（單目、立體和 RGB-D）
• 聲納傳感器
• 觸覺傳感器
• 其他

在實(shí)踐中很多時(shí)候使用傳感器的組合，然后應(yīng)用融合算法，例如擴(kuò)展卡爾曼濾波器，以獲得精確的信息。

如果我們回到基礎(chǔ)，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序，您將處理基于 LIDAR 的 SLAM 或視覺 SLAM。基于激光雷達(dá)的 SLAM 相對(duì)容易設(shè)置并且非常精確——Waymo 在其自動(dòng)駕駛汽車上使用激光雷達(dá)是有原因的。

但當(dāng)然，特斯拉沒有這樣做是有原因的——激光雷達(dá)體積龐大、價(jià)格昂貴，而且它們的旋轉(zhuǎn)部件需要在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行維護(hù)。對(duì)于視覺 SLAM，RGB-D 傳感器方法也可以非常強(qiáng)大，而簡(jiǎn)單的立體或單目系統(tǒng)可能很難設(shè)置。以下是描述中的更多鏈接，以詳細(xì)了解 SLAM！

什么是同時(shí)定位和映射？

LSD-slam 和 ORB-slam2，基于文獻(xiàn)的解釋

RPLIDAR 和 ROS 編程 - 構(gòu)建機(jī)器人的最佳方式

在本文中，我們將嘗試稱為 ORB-SLAM2 的單目視覺 SLAM 算法和基于激光雷達(dá)的 Hector SLAM。

使用 ORB-SLAM2 的視覺 SLAM

對(duì)于 ORB-SLAM2，我們將使用普通的廉價(jià)網(wǎng)絡(luò)攝像頭——需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)以確定每個(gè)攝像頭型號(hào)所獨(dú)有的內(nèi)在參數(shù)。我建議使用內(nèi)置的 ROS 相機(jī)校準(zhǔn)工具進(jìn)行校準(zhǔn)。要安裝這些（您可以安裝在您的 Ubuntu PC 上）：

sudo apt-get install ros-melodic-camera-calibration

打印校準(zhǔn)棋盤，從這里下載。

以毫米為單位測(cè)量正方形的邊。然后輸入以下命令開始校準(zhǔn)：

roslaunch usb_cam usb_cam.launch
rosrun camera_calibration cameracalibrator.py --size 8x6 --square 0.108 image:=/camera/image_raw camera:=/camera

更改 square 參數(shù)以匹配校準(zhǔn)板上的正方形大小。

為了獲得良好的校準(zhǔn)，您需要在相機(jī)框架中移動(dòng)棋盤格，以便：

• 相機(jī)視野左、右、上、下的棋盤
• X 條 - 視野中的左/右
• Y 條 - 視野中的頂部/底部
• 尺寸欄 - 朝向/遠(yuǎn)離和傾斜相機(jī)
• 相機(jī)左側(cè)、右側(cè)、頂部和底部的棋盤 X 欄 - 左側(cè)/右側(cè)在視野中 Y 欄 - 頂部/底部在視野中尺寸欄 - 朝向/遠(yuǎn)離和傾斜相機(jī)
• 棋盤格填滿整個(gè)視野
• 棋盤向左、右、上和下傾斜（傾斜）

在每一步，保持棋盤靜止，直到圖像在校準(zhǔn)窗口中突出顯示。

當(dāng)應(yīng)用程序收集到足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，您將能夠按下校準(zhǔn)按鈕。校準(zhǔn)過(guò)程可能需要幾分鐘，所以請(qǐng)耐心等待。成功的校準(zhǔn)將導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)世界中的直邊在校正后的圖像中顯得筆直。校準(zhǔn)失敗通常會(huì)導(dǎo)致空白或無(wú)法識(shí)別的圖像，或不保留直邊的圖像。

之后你需要借助這個(gè)包將相機(jī)參數(shù)轉(zhuǎn)換成.yaml格式，重命名為head_camera.yaml，放到.ros/camera_info/文件夾下。

有一個(gè)將 ORB-SLAM2 集成到 ROS 的包，它還發(fā)布了 2D 占用圖。安裝過(guò)程比較復(fù)雜，我推薦使用 Ubuntu 18.04 的樹莓派鏡像作為起點(diǎn)，避免編譯很多（很多很多很多）額外的包。

安裝 ROS 桌面和必要的依賴項(xiàng)

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
sudo apt update
sudo apt install ros-melodic-desktop
echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source  ~/.bashrc
sudo apt-get install ros-melodic-pcl-ros ros-melodic-image-geometry ros-melodic-octomap-ros ros-melodic-usb-cam

創(chuàng)建 catkin 工作區(qū)，安裝catkin構(gòu)建工具并將 ORB_SLAM2_ROS 存儲(chǔ)庫(kù)和 Bittle 驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)庫(kù)克隆到 catkin_ws/src 文件夾

mkdir -p catkin_ws/src && cd catkin_ws/src
git clone https://github.com/rayvburn/ORB-SLAM2_ROS
git clone https://github.com/AIWintermuteAI/bittle_ROS
cd bittle_ROS && git checkout slam

下載詞匯文件并將其放在ORB_SLAM2/orb_slam2_lib/Vocabulary文件夾中

wget https://github.com/raulmur/ORB_SLAM2/raw/master/Vocabulary/ORBvoc.txt.tar.gz

然后從 catkin 工作區(qū)文件夾中，執(zhí)行

cd src/ORB-SLAM2_ROS/ORB_SLAM2
sudo chmod +x build*
./build_catkin.sh
echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source  ~/.bashrc

如果編譯過(guò)程凍結(jié)，請(qǐng)嘗試將交換大小增加到 2 Gb

sudo swapoff -a
sudo fallocate -l 2G /swapfile
sudo chmod 600 /swapfile
sudo mkswap /swapfile
sudo swapon /swapfile
grep SwapTotal /proc/meminfo

以后如果不需要，可以刪除交換文件。成功安裝后，運(yùn)行一個(gè)示例以確保它按預(yù)期工作：

roslaunch orb_slam2_ros raspicam_mono.launch

需要一個(gè)額外的步驟，因?yàn)槟芸赡茉跓o(wú)頭模式下運(yùn)行 Raspberry Pi（或其他 SBC），沒有屏幕或鍵盤 - 無(wú)論是那個(gè)還是您的機(jī)器人都非常笨重。因此，我們需要配置 ROS 以在多臺(tái)機(jī)器上工作 - 請(qǐng)查看我之前在 BITtle 系列中的文章，其中詳細(xì)描述了此過(guò)程。

由于 Bittle 驅(qū)動(dòng)程序是用 Python 3 編寫的，而 ROS 默認(rèn)仍使用 Python 2.7，因此我們需要為 Python 3 安裝 rospkg 以使它們一起運(yùn)行。

pip3 install rospkg

一旦你有了 ORB-SLAM2 和Bittle（或你的機(jī)器人基地）的軟件包，你就可以運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)攝像頭驅(qū)動(dòng)程序了

roslaunch bittle_driver bittle_vslam_robot.launch

它將啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)——機(jī)器人驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)攝像頭節(jié)點(diǎn)和 ORB-SLAM2。ORB-SLAM2 需要足夠的環(huán)境信息來(lái)初始化，因此您可以手動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人以避免平移或方向的大變化。ORB-SLAM2 初始化后將開始發(fā)布八圖。您可以使用控制來(lái)移動(dòng)您的機(jī)器人。

不幸的是，我發(fā)現(xiàn)由于 Bittle 上的相機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中移動(dòng)得太快，它往往會(huì)丟失關(guān)鍵點(diǎn)，需要返回到之前的位置。

可以在這里進(jìn)行一些改進(jìn)以使其更穩(wěn)定

• 使用立體相機(jī)
• 使用 ORB-SLAM3 可以集成 IMU 數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)更精確的定位

基于激光雷達(dá)的 SLAM 與 Hector SLAM

如果 Visual SLAM 對(duì)我們的機(jī)器人不起作用，那么安裝 LIDAR 并嘗試一種基于激光掃描儀的算法怎么樣？這里的好消息是，對(duì)于 LIDAR，我們不需要那么快的處理速度，因此即使是較舊的 Raspberry Pi 3 也可以。壞消息是，即使是小型激光雷達(dá)也很大，我可以使用的 RPLIDAR A1M8 重 190 克，當(dāng)安裝在這個(gè)有腿機(jī)器人的頂部時(shí)，它會(huì)嚴(yán)重干擾其重心并影響行走步態(tài)。

在腹部下方增加了一些額外的重量以平衡事物之后，它可以爬行和行走，盡管我仍然試圖小心并避免突然停止。

Hector SLAM的軟件安裝在 Ubuntu 18.04 上輕而易舉。如果您還沒有安裝 ROS Desktop，請(qǐng)使用以下命令進(jìn)行安裝（與上面關(guān)于 Visual SLAM 的第一部分相同）：

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
sudo apt update
sudo apt install ros-melodic-desktop
echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source  ~/.bashrc
sudo apt-get install ros-melodic-hector-slam

創(chuàng)建 catkin 工作區(qū)，安裝catkin構(gòu)建工具并將 RPLIDAR 存儲(chǔ)庫(kù)和 Bittle 驅(qū)動(dòng)程序存儲(chǔ)庫(kù)克隆到 catkin_ws/src 文件夾

mkdir -p catkin_ws/src && cd catkin_ws/src
git clone https://github.com/Slamtec/rplidar_ros.git
git clone https://github.com/AIWintermuteAI/bittle_ROS
cd bittle_ROS && git checkout slam

構(gòu)建 Bittle 驅(qū)動(dòng)程序包并獲取你的 catkin 工作空間

catkin build
echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source  ~/.bashrc

由于 Bittle 驅(qū)動(dòng)程序是用 Python 3 編寫的，而 ROS 默認(rèn)仍使用 Python 2.7，因此我們需要為 Python 3 安裝 rospkg 以使它們一起運(yùn)行。

pip3 install rospkg

安裝完所有這些后，將 ROS 配置為在多臺(tái)機(jī)器上工作。然后運(yùn)行

roslaunch bittle_driver bittle_lslam_robot.launch

啟動(dòng) LIDAR、機(jī)器人控制和 hector SLAM 節(jié)點(diǎn)。總體映射結(jié)果看起來(lái)比 ORB-SLAM2 好得多，Hector SLAM 甚至可以發(fā)布里程計(jì)和路徑消息，這為使用 ROS 導(dǎo)航堆棧運(yùn)行自主導(dǎo)航開辟了道路。

對(duì)于在 Bittle 上使用 LIDAR 時(shí)的改進(jìn)，

• IMU數(shù)據(jù)也可以集成
• 步態(tài)和平衡算法可以調(diào)整以適應(yīng)機(jī)器人頂部的額外重量
• 可以使用更緊湊的激光雷達(dá)

這是關(guān)于來(lái)自 Petoi 的機(jī)器狗 Bittle 的系列文章的最后一篇。Kickstarter 活動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，因此，如果您想購(gòu)買 Bittle，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注 Seeed 工作室子公司 TinkerGen 的預(yù)購(gòu)公告，該公司將在其在線商店和亞馬遜上銷售 Bittle。

玩得開心建造機(jī)器人！