摘要：移动机器人的室内定位问题较为复杂，针对该问题，通过ROS提供的开源包gmapping，实现移动机器人在陌生的室内环境中完成即时定位与地图构建。利用URDF模型对机器人结构进行设计及编程实现，同时Rviz完成机器人可视化，通过移动机器人在Gazebo中的物理仿真环境运动，完成移动机器人在陌生环境的地图构建。
关键词：移动机器人地图构建 RvizGazebo
0 引言
近年来，服务型室内移动机器人受到了越来越多的关注。但室内机器人还存在室内地图构建等问题，由于室内不能使用GPS， SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，即时定位与地图构建）脱颖而出。移动机器人通过传感器在移动中获取环境信息，实现自身位置的估计，同时构建环境地图。
1.ROS简介
开源机器人操作系统ROS（Robot Operating System）提供了诸多操作系统服务，其点对点的设计轻量化了数据处理负担，同时提供丰富的组件化工具，注重提高程序包的复用率，缩短了机器人开发周期。
2.移动机器人模型搭建与传感器选择
对移动机器人模型进行设计，保证合理性的同时，减小建模难度，简化仿真计算过程，便于移动机器人的开发使用。通过URDF格式编写机器人模型文件，采用自下而上的构建方法，先搭建机器人底盘base_link，再添加其余配件：驱动电机motor，支撑杆stick，轮子wheel、castor等丰富机器人功能。各<link>通过<joint>和base_link建立直接与间接关系，形成底盘具体架构，其架构关系如图1。
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图1机器人底盘设计架构图
机器人采用差速移动，两后轮作为驱动轮，前轮使用球状随动轮，保证车身平稳且不影响转向，同时选择激光雷达作为主要的传感装置。
3.地图构建实现
通过开源gmapping功能包实现SLAM建图，其集成了Rao-Blackwellized粒子滤波算法，通过激光雷达扫描输入计算出机器人与障碍物距离，生成位置关系。通过将所处环境切分来整合区域内相同环境的特征，同时订阅移动机器人的里程计信息、IMU信息等来更新地图环境和机器人所处位置，将信息整合后输出二维栅格地图。
对建立的URDF模型添加惯性矩阵、碰撞属性等标签，使移动机器人具备真实机器人的物理属性，同时使传感器能够接收并处理环境数据。利用launch文件将机器人放置到虚拟环境中，运行joint_state_publisher及robot_state_publisher节点，发布机器人关节状态及TF坐标信息，从而可以开始利用Gazebo进行机器人的工作仿真。
在Gazebo中利用GazeboBuildingEditor搭建一个仿真环境，并加载机器人，利用gmapping功能包创建一个节点来发布信息进行地图构建，Gazebo仿真环境及机器人模型细节展示如图2。
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图2 Gazebo仿真环境及机器人细节展示
启动Rviz观察实时信息交互，并开启键盘控制节点与话题cmd_vel通信，使机器人在键盘控制下在虚拟环境中移动，激光雷达通过/scan接收距离信息，同时/odom不断更新以确定机器人与周围环境的位置关系，矫正移动机器人在环境中的位姿状态，对地图构建进行校正，最终构建得到二维栅格地图如图3。
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图3 二维栅格地图效果图
4.结语
本文利用ROS平台，编写URDF创建移动机器人模型文件，将Rviz结合Gazebo搭建的物理仿真环境，完成了gmapping算法构建二维栅格地图的仿真，验证了移动机器人对于地图构建的合理性、可行性，为移动机器人构建陌生环境提供了参考，便于真实机器人开发。
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论文作者:魏克,雷孟宇,陆浩楠
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：机器人论文; 环境论文; 地图论文; 栅格论文; 模型论文; 信息论文; 室内论文; 《电力设备》2019年第22期论文;