機器人操作系統(tǒng)（ROS）課件10.3Hector四旋翼無人機仿真

機器人操作系統(tǒng)（ROS）機器人操作系統(tǒng)（ROS）Hector四旋翼無人機仿真10.3機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3Hector四旋翼無人機仿真四旋翼無人機是一種非共軸式碟形飛行器，在平面上呈十字對稱結(jié)構(gòu)并均勻分布有4個旋翼。通過調(diào)節(jié)四個旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力來控制6個自由度方向的動作。它除了具有一般無人機的優(yōu)點，如不懼傷亡、制造成本低廉、隱蔽性好、操作靈活等，還具有多旋翼無人機的獨特優(yōu)勢：（1）能夠在狹小的空間內(nèi)實現(xiàn)垂直升降、定點懸停、低速飛行、旋轉(zhuǎn)、側(cè)飛及倒飛等，機動靈活，可控性較強；（2）結(jié)構(gòu)簡單，拆卸方便，且易于維護；（3）四個旋翼同時旋轉(zhuǎn)提供升力，相對一般無人機，可以使用較小的旋翼和較低的轉(zhuǎn)速，安全性提高。機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.1四旋翼無人機簡介四旋翼無人機是無人飛行器（UAV）的一種，其旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間部分安放飛行控制計算機和外部設(shè)備。結(jié)構(gòu)形式如圖所示。四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)形式四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，有四個輸入力，同時有六個狀態(tài)輸出。機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.1四旋翼無人機簡介如圖所示，無人機繞三個坐標軸旋轉(zhuǎn)的角度分別由滾轉(zhuǎn)角（roll）、俯仰角（pitch）和偏航角（yaw）表示。滾轉(zhuǎn)角是飛機對稱平面與通過飛機機體縱軸的鉛垂平面間的夾角，右滾為正。俯仰角是機體軸與地平面（水平面）之間的夾角，飛機抬頭為正。偏航角是機體軸在水平面上的投影與地軸之間的夾角，以機頭右偏為正。飛機滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.2Hector四旋翼無人機仿真本實驗采用的是塔姆斯塔特工業(yè)大學的HectorDarmstadt團隊開源的hector仿真旋翼UAV項目，其開源代碼網(wǎng)站為：/tu-darmstadt-ros-pkg/hector_quadrotor。該功能包包含了UAV的URDF描述建模、飛行控制及在Gazebo中運行四旋翼無人機的啟動文件等。https://www.teamhector.de/open-source機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.2Hector四旋翼無人機仿真hector_quadrotorhector_quadrotor_description包含了基礎(chǔ)四旋翼及搭載各種傳感器的urdf文件；hector_quadrotor_gazebo包含了四旋翼在gazebo仿真中的驅(qū)動、插件；hector_quadrotor_teleop包含了四旋翼遙控器接口文件；hector_quadrotor_gazebo_plugins包含了gazebo仿真中氣動、推力、控制等模擬文件；hector_quadrotor_demo包含了官網(wǎng)例程的啟動文件；hector_quadrotor_actions包含了支持的action(起飛、降落、航點)文件；hector_quadrotor_controller_gazebo包含了gazebo仿真中的控制器接口插件；hector_quadrotor_controllers包含了姿態(tài)、位置、速度控制器文件；hector_quadrotor_interface包含了四旋翼的接口文件；hector_quadrotor_model包含了四旋翼的動力學模型文件；hector_quadrotor_pose_estimation包含了四旋翼的位姿解算文件；hector_uav_msgs包含了四旋翼的消息、動作、服務匯總；hector_quadrotor包含了hector_quadrotor功能包的管理文件；整個tu-darmstadt-ros-pkg功能包的各個子功能包的結(jié)構(gòu)如下所示機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.2Hector四旋翼無人機仿真hector_modelshector_sensors_description包含了sonar/laser/camera/rgb-camera等xacro宏文件及gazeboplugin；hector_xacro_tools包含了轉(zhuǎn)動慣量計算、關(guān)節(jié)驅(qū)動、傳感器安裝的xacro宏文件；hector_components_description包含了一些例程中采用的傳感器搭配xacro文件；hector_model包含了hector_model功能包的管理文件；hector_gazebohector_gazebo_plugins包含了GPS/IMU/MAG/SONAR的gazebo插件(噪聲、飄移、頻率)；hector_gazebo_thermal_camera包含了熱成像相機的gazebo插件；hector_gazebo_worlds包含了例程中應用的gazebo場景和啟動文件；hector_sensors_gazebo關(guān)聯(lián)hector_sensors_description包；hector_gazebo包含了hector_gazebo功能包的管理文件；hector_localizationhector_pose_estimation包含了傳感器數(shù)據(jù)匯總、位姿估計發(fā)布文件；hector_pose_estimation_core包含了EKF核心算法文件；message_to_tf包含了傳感器信息的坐標轉(zhuǎn)換文件；hector_localization包含了hector_localization功能包的管理文件；機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.2Hector四旋翼無人機仿真hector_slamhector_mapping包含了建圖、定位節(jié)點文件；hector_geotiff包含了存儲二位柵格地圖及機器人軌跡的節(jié)點文件；hector_trajectory_server包含了存儲tf軌跡的節(jié)點文件；hector_compressed_map_transport包含了地圖轉(zhuǎn)換成圖片的節(jié)點文件；hector_geotiff_plugins包含了擴展柵格地圖的插件；hector_imu_attitude_to_tf包含了將姿態(tài)角發(fā)布到tf的節(jié)點文件；hector_imu_tools包含了IMU的位姿方向角解算；hector_map_server包含了地圖檢索及障礙物檢測文件；hector_map_tools包含了一個地圖構(gòu)建的頭文件；hector_marker_drawing包含了可視化標記的函數(shù)文件;hector_nav_msgs包含了hector_slam包用到的消息、服務文件；hector_slam_launch包含了例程中關(guān)于不同配置hector_slam的啟動文件；hector_slam包含了hector_slam功能包的管理文件；機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.3Hector仿真環(huán)境搭建為了方便讀者調(diào)試，我們提供了HectorDarmstadt的源碼。本實驗使用到的功能包有：hector_quadrotor、hector_models、hector_gazebo、hector_localization、hector_slam、gazebo_ros_pkgs、geographic_info，其中前五個是源碼，其余為依賴安裝包。首先我們需要對功能包進行編譯：$cd~/catkin_ws$catkin_make可能會出現(xiàn)“Couldnotfindxxxpackage”的報錯，這是因為缺少相關(guān)的依賴，運行以下命令安裝相應的依賴包，其中xxx代表所缺少依賴的名稱，如圖所示：$sudoapt-getinstallros-melodic-xxx此外還可以通過rosdep指令安裝所需依賴：$rosdepinstall--from-pathssrc--ignore-src-r-y依賴安裝完成后，重新編譯功能包。編譯運行截圖機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.4啟動Hector仿真實驗（2）室內(nèi)飛行同樣在hector_quradrotor功能包包含四旋翼飛行器的室內(nèi)模擬飛行例程。運行以下命令啟動節(jié)點：$roslaunchhector_quadrotor_demoindoor_slam_gazebo.launch節(jié)點啟動后，Gazebo中將顯示W(wǎng)illowGarage室內(nèi)辦公室的模擬環(huán)境，若沒有加載出環(huán)境，需要將Gazebo的官方模型庫（/osrf/gazebo_models）拷貝到路徑為~/.gazebo（如若不行，放置在/share/gazebo-9/models）的文件夾里，可以通過以下命令查看是否裝好Gazebo的庫結(jié)果如圖所示：$roslaunchgazebo_roswillowgarage_world.launch運行指令可以調(diào)出Gazebo窗口并加載模擬辦公室的環(huán)境。成功配置Gazebo庫后，運行如下命令啟動室內(nèi)時SLAM節(jié)點，運行結(jié)果如圖所示：$roslaunchgazebo_rosindoor_slam_gazebo.launch機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.4啟動Hector仿真實驗Hector無人機室內(nèi)Gazebo圖像Hector無人機室內(nèi)Rviz圖像機器人操作系統(tǒng)（ROS）10.3.4啟動Hector仿真實驗調(diào)用使能電機的服務，控制無人機起飛，命令如下：$rosservicecall/enable_motors"enable:true"運行如下命令啟動Xbox手柄控制節(jié)點：$roslaunchhector_quadrotor_teleopxbox_controller.launch通過手柄控制無人機移動，并實時建立環(huán)境地圖，如圖所示。使用rqt_graph工