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本實驗是實現機器人自主導航的重要步驟，對于輪式機器人，可以通過在底盤加裝輪式里程計的方式來獲得機器人的速度數據，這些數據可以用來輔助機器人實現自主定位，同時機器人還需要將控制指令發送給移動底盤，實現自主控制，本實驗就將實現ROS與移動底盤的通信。

實驗環境：

· 軟件環境：Ubuntu18.04 + ROS melodic、Windows + Keil 5、VSCode

· 硬件環境：Jetson Nano(以下稱為ROS端）、小車(以下稱為STM32端)

01 實驗內容

ROS與STM32的通信流程如圖所示

主要包含兩個方面：

· 小車里程計數據的上傳與接收

· 控制指令的下發與接收

1.1 原始消息內容

在ROS中，里程計數據主要包括機器人的位姿(位置和姿態)，以及機器人的速度(線速度和角速度)。對于本實驗所用到的麥輪地面機器人，只需要知道機器人的x軸與y軸線速度、x軸與y軸位置、z軸角速度、偏航角即可。

由于對速度積分可以得到位置，對角速度積分可以得到角度，所以STM32端上傳的里程計數據只需要包括機器人的x軸與y軸線速度、z軸角速度，ROS端在接收到這些數據后，進行積分即可得到位置和角度。

另外，在本實驗用到的STM32端集成了一個ICM20602姿態傳感器，其中內置了姿態解算算法，可以獲得準確的機器人姿態數據，因此本實驗使用STM32端上傳的偏航角來代替對角速度積分得到的航向角。

所以STM32上傳的里程計數據包括機器人的x軸線速度、y軸線速度、z軸角速度、偏航角。

與里程計數據類似，對于麥輪地面機器人，控制指令只需要包括機器人的x軸速度、y軸速度、z軸角速度即可，機器人坐標系如圖所示：

1.2 轉換為字節數組

知道了消息的原始數據，還需要將它轉換成傳輸效率更高的字節數組，如圖：

在C/C++中，有很多種將原始數據轉換為字節數組的方法，其中一種常用的方法是使用聯合體(union)。

聯合體的所有成員占用同一段內存，修改一個成員會影響其余成員，如果要實現一個float數據與字節數組的互相轉換，我們可以定義如下的聯合體：

typedefunion{
float data;
uint8_t data8[4];
}data_u;

?

這個聯合體中有兩個成員，一個是32位的float數據data，另一個同樣是占據了32位字長的字節數組data8，根據聯合體的性質，這兩個成員所在的內存位置是一樣的，也就是說，改變其中任何一個成員的值，另一個也會被改變。

利用這個性質，我們就可以實現float與字節數據的互相轉換。

1.3 添加幀頭和校驗碼

本實驗選擇常用的0xAA 0x55作為幀頭，同時對原始數據轉換得到的字節數組進行求和，將結果保存在1字節數據中，作為校驗碼。

準備工作：

1. 在ROS端安裝serial功能包

sudoapt-getinstallros-melodic-serial

2. 在ROS端創建一個功能包，命名為xrobot，添加依賴項roscpp rospy tf serial

02 里程計數據的上傳與接收

2.1 通信協議

里程計數據格式(19字節)

2.2 STM32端

/**
 * @brief 發送里程計數據
 */
void DataTrans_Odom(void)
{
uint8_t _cnt = 0;
  data_u _temp; // 聲明一個聯合體實例，使用它將待發送數據轉換為字節數組
uint8_t data_to_send[100] = {0}; // 待發送的字節數組


  data_to_send[_cnt++]=0xAA;
  data_to_send[_cnt++]=0x55;


uint8_t _start = _cnt;


float datas[] = {kinematics.odom.vel.linear_x, 
                     kinematics.odom.vel.linear_y, 
                     kinematics.odom.vel.angular_z, 
                     kinematics.odom.pose.theta
                    };


for(int i = 0; i < sizeof(datas) / sizeof(float); i++)
  {
// 將要發送的數據賦值給聯合體的float成員
// 相應的就能更改字節數組成員的值
    _temp.data = datas[i];
    data_to_send[_cnt++]=_temp.data8[0];
    data_to_send[_cnt++]=_temp.data8[1];
    data_to_send[_cnt++]=_temp.data8[2];
    data_to_send[_cnt++]=_temp.data8[3]; // 最高位
  }


uint8_t checkout = 0;
for(int i = _start; i < _cnt; i++)
  {
    checkout += data_to_send[i];
  }
  data_to_send[_cnt++] = checkout;
// 串口發送
  SendData(data_to_send, _cnt); 
}

2.3 ROS端

采用狀態機的方式來接收STM32端上傳的里程計數據，每讀取一字節數據，則在狀態機中處理一次，部分程序如下：

uint8_tbuffer=0;
ser.read(&buffer, 1); // ser是串口類的一個實例，該語句表示從串口中讀取一個字節
if(state == 0 && buffer == 0xAA)
{
    state++;
}
else if(state == 1 && buffer == 0x55)
{
    state++;
}
else if(state == 2)
{
    data_receive[data_cnt++]=buffer;
if(data_cnt == 17)
    {
/* 進行數據校驗 */
uint8_t checkout = 0;
for(int k = 0; k < data_cnt - 1; k++)
        {
            checkout += data_receive[k];
        }
if(checkout == data_receive[data_cnt - 1]) // 串口接收到的最后一個字節是校驗碼 
        {
/* 校驗通過，進行解碼 */
float vx, vy, vth, th; // x軸線速度，y軸線速度，z軸角速度，偏航角
float* datas_ptr[] = {&vx, &vy, &vth, &th};
            data_u temp;
for(int i = 0; i < sizeof(datas_ptr) / sizeof(float*); i++)
            {
                temp.data8[0] = data_receive[4 * i + 0];
                temp.data8[1] = data_receive[4 * i + 1];
                temp.data8[2] = data_receive[4 * i + 2];
                temp.data8[3] = data_receive[4 * i + 3];              
                *(datas_ptr[i]) = temp.data;
            }
            th *= D2R; // 轉換為弧度
        }
        data_cnt = 0;
        state = 0;
    }
}
else state = 0;

? ROS端在運行時可能會提示串口打開失敗，有兩種原因，一是串口號不對，使用dmesg | grep ttyS*列出檢測到的串口號，逐個測試；

二是沒有操作權限，使用sudo chmod 666 /dev/ttyACM0即可解決，也可以使用sudo usermod -aG dialout 用戶名來獲得永久權限，用戶名可使用whoami查看。

2.4 里程計數據可視化

以上步驟僅僅得到了機器人的x軸線速度、y軸線速度、z軸角速度、偏航角，還需要進一步處理來獲得完整的里程計數據。

STM32端返回的x軸線速度、y軸線速度是相對于自身的機體坐標系的速度，而機器人的位置信息是相對于世界坐標系的位置，所以在對速度進行積分前，要先將機體坐標系下的x軸線速度、y軸線速度轉換到世界坐標系，如圖：

這個坐標變換可以通過一個簡單的旋轉矩陣來實現

其中θ就是機器人的偏航角。相應的程序如下：

/*對速度進行積分得到位移*/
// 獲取當前時間
current_time = ros::now();
// 獲取積分間隔
double dt = (current_time - last_time).toSec();
last_time = current_time;
// 將機體系速度轉換到里程計坐標系
double delta_x = (vx * cos(th) - vy * sin(th)) * dt;
double delta_y = (vx * sin(th) + vy * cos(th)) * dt;
// 速度積分
x += delta_x;
y += delta_y;

? 在機器人中，一般使用四元數/旋轉矩陣的形式來表示機器人的姿態，而不是歐拉角形式。所以需要將STM32返回的偏航角轉換為四元數，程序如下：

/*對速度進行積分得到位移*/
// 獲取當前時間
current_time = ros::now();
// 獲取積分間隔
double dt = (current_time - last_time).toSec();
last_time = current_time;
// 將機體系速度轉換到里程計坐標系
double delta_x = (vx * cos(th) - vy * sin(th)) * dt;
double delta_y = (vx * sin(th) + vy * cos(th)) * dt;
// 速度積分
x += delta_x;
y += delta_y;

? 以上就獲取了完整的機器人里程計數據，接下來需要將里程計數據發布到ROS中。

nav_msgs::Odometryodom;
geometry_msgs::TransformStamped odom_trans;


odom_trans.header.stamp = current_time;
odom_trans.header.frame_id = "odom";
odom_trans.child_frame_id = "base_link";


odom_trans.transform.translation.x = x;
odom_trans.transform.translation.y = y;
odom_trans.transform.translation.z = 0.0;
odom_trans.transform.rotation = odom_quat;
// 發布坐標變換
odom_broadcaster.sendTransform(odom_trans);


odom.header.stamp = current_time;
odom.header.frame_id = "odom";
odom.child_frame_id = "base_link";


// 設置機器人的位置和姿態
odom.pose.pose.position.x = x;
odom.pose.pose.position.y = y;
odom.pose.pose.position.z = 0.0;
odom.pose.pose.orientation = odom_quat;


// 設置機器人的速度
odom.twist.twist.linear.x = vx;
odom.twist.twist.linear.y = vy;
odom.twist.twist.angular.z = vth;


// 發布里程計消息
odom_pub.publish(odom);

? 運行后，打開PC上的Ubuntu，配置ip從而實現遠程連接嵌入式處理器上的ROS系統。

配置完成后，重新打開一個終端，輸入：rviz，打開ROS的可視化工具，按照下圖操作即可

可視化結果如下：

最后將該rviz配置保存至文件，點擊File→Save Config As，將配置保存為xxxx.rviz。下次打開時，在命令行運行：rosrun rviz rviz -d xxxx.rviz即可。

03 控制指令的下發與接收

3.1 通信協議

控制指令格式(15字節)

3.2 ROS端

在ROS端，首先需要接收從其他節點的控制消息，在ROS中常常使用geometry_msgs::Twist來傳遞控制指令，該消息格式包括兩個三維向量，如下，分別是三軸線速度和三軸角速度：

geometry_msgs/Vector3linear
geometry_msgs/Vector3 angular

? 我們在控制指令的消息回調函數中，將控制指令下發給STM32，部分程序如下，其中使用了C++的lambda表達式來替換回調函數

ros::Subscribersub=nh.subscribe("/cmd_vel",10,[&](constgeometry_msgs::ConstPtr&cmd_vel){
uint8_t _cnt = 0;
    data_u _temp; // 聲明一個聯合體實例，使用它將待發送數據轉換為字節數組
uint8_t data_to_send[100]; // 待發送的字節數組    
    data_to_send[_cnt++]=0xAA;
    data_to_send[_cnt++]=0x55;
uint8_t _start = _cnt;
float datas[] = {(float)cmd_vel->linear.x,
                     (float)cmd_vel->linear.y,
                     (float)cmd_vel->angular.z};    
for(int i = 0; i < sizeof(datas) / sizeof(float); i++){
// 將要發送的數據賦值給聯合體的float成員
// 相應的就能更改字節數組成員的值
        _temp.data = datas[i];
        data_to_send[_cnt++]=_temp.data8[0];
        data_to_send[_cnt++]=_temp.data8[1];
        data_to_send[_cnt++]=_temp.data8[2];
        data_to_send[_cnt++]=_temp.data8[3]; // 最高位
    }
// 添加校驗碼
char checkout = 0;
for(int i = _start; i < _cnt; i++)
        checkout += data_to_send[i];
    data_to_send[_cnt++] = checkout;
// 串口發送
    ser.write(data_to_send, _cnt);
});

? 最后，創建一個控制指令發布節點，用來發布cmd_vel話題，在xrobot功能包下新建一個scripts文件夾，添加remote_ctrl.py，內容如下：

#!/usr/bin/envpython
# #-*- coding: UTF-8 -*- 


import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist
from std_msgs.msg import String
import os, sys
import  tty, termios


pub = rospy.Publisher("cmd_vel", Twist)
rospy.init_node("remote_ctrl")
rate = rospy.Rate(rospy.get_param("-hz", 20))


cmd = Twist()
cmd.linear.x = 0.0
cmd.linear.y = 0.0
cmd.angular.z = 0.0


while not rospy.is_shutdown():    
    tty.setraw(sys.stdin.fileno())  
    ch = sys.stdin.read( 1 )  
if ch == "w":
        cmd.linear.x = 0.2
        cmd.linear.y = 0
        cmd.angular.z = 0
elif ch == "s":
        cmd.linear.x = -0.2
        cmd.linear.y = 0
        cmd.angular.z = 0
elif ch == "a":
        cmd.linear.x = 0
        cmd.linear.y = 0
        cmd.angular.z = 0.5
elif ch == "d":
        cmd.linear.x = 0
        cmd.linear.y = 0
        cmd.angular.z = -0.5
elif ch == "q":
break
else:
        cmd.linear.x = 0
        cmd.linear.y = 0
        cmd.angular.z = 0
    rospy.loginfo(str( cmd.linear.x) + " " + str(cmd.linear.y) + " " + str(cmd.angular.z) + "
")
    pub.publish(cmd)
    rate.sleep()

? 運行robot_node和remote_ctrl節點，可以得到如下的節點圖：

3.3 STM32端

部分程序如下：

/**
 * @brief 從串口讀取單個字節
 * @param  data             讀取的字節數據
 */
void GetOneByte(uint8_t data)
{
  static u8 state = 0;
  static u8 cnt = 0;
if(state == 0 && data == 0xAA)
  {
    state++;
  }
else if(state == 1 && data == 0x55)
  {
    state++;
  }
else if(state == 2)
  {
    data_receive[cnt++] = data;
if(cnt >= 13)
    {
// 校驗
      u8 checkout = 0;
for(int i = 0; i < cnt - 1; i++)
      {
        checkout += data_receive[i];
      }
if(checkout == data_receive[cnt - 1])
      {
// 校驗通過，進行解碼
        DataDecoder(data_receive);
      }
      state = 0;
      cnt = 0;
    }
  }
else state = 0;
}


/**
 * @brief 數據解碼
 * @param  data             待解碼數組
 */
void DataDecoder(u8 *data)
{
    data_u temp;
// x軸線速度
    temp.data8[0] = data[0];
    temp.data8[1] = data[1];
    temp.data8[2] = data[2];
    temp.data8[3] = data[3];
    kinematics.exp_vel.linear_x = temp.data;
// y軸線速度
    temp.data8[0] = data[4];
    temp.data8[1] = data[5];
    temp.data8[2] = data[6];
    temp.data8[3] = data[7];
    kinematics.exp_vel.linear_y = temp.data;
// z軸角速度
    temp.data8[0] = data[8];
    temp.data8[1] = data[9];
    temp.data8[2] = data[10];
    temp.data8[3] = data[11];
    kinematics.exp_vel.angular_z = temp.data;  
}

審核編輯：湯梓紅

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