创新项目实战之智能跟随机器人原理与代码实现

0 专栏介绍

本专栏旨在通过对ROS的系统学习，掌握ROS底层基本分布式原理，并具有机器人建模和应用ROS进行实际项目的开发和调试的工程能力。

详情：《ROS从入门到精通》

1 智能跟随机器人的应用

机器人是传感器网络、通信、人工智能、分布式计算、自动化等多种技术的集大成者，机器人技术的发展水平标志着一个国家工业、制造业的先进性和创新性。

机器人产业市场潜力巨大，在工业机器人高端产业应用的背景下，服务机器人成为新的一片蓝海。

在众多机器人中，移动机器人的发展最为迅速，已经大规模落地商业化。智能跟随机器人是其中很常见的应用，在各类竞赛、创新项目、开源项目甚至商业项目中都有应用。例如以下场景：

• 高尔夫球场
• 病人看护
• 物流基地
• 商业导购
• 军事运输
• 2022 TI杯赛题
  
• …

本文基于ROS从入门到精通(十) TF坐标变换原理，为什么需要TF变换？中TF变换的原理，构造一个智能跟随机器人Demo，便于提供二次开发。总体的运行流程很简单：初始化两个机器人->获取机器人1相对全局坐标系的坐标->设置该坐标为机器人2的目标点，其中第二步就用到了TF变换。虽然原理简单，但是可扩展性强。例如：

• 机器人1可以换成行人，在机器人2上应用激光的方法探测坐标
• 机器人1可以换成跟踪物体，在机器人2上应用视觉和图像处理的方法探测坐标
• 应用本文涉及的TF变换，设计多机器人作业环境
• …

为了便于扩展，本文采用规范工程化的编程方式。

2 构造机器人对象

由于实际场景中机器人的异构性，我们不能只设置若干函数来驱动机器人。对应地，我们采用面向对象思想，从通用机器人Robot接口类中派生出各种不同的机器人类，比如本文设计的Turtle机器人类如下：

class Turtle: public general_robot::Robot
{
    
    public:
        /** * @brief 机器人对象默认构造函数 **/
        Turtle(); 
        /** * @brief 机器人构造函数 * @param[in]: name -> 机器人名字 * @retval: None **/  
        Turtle(std::string name);
        /** * @brief 机器人对象默认析构函数 **/
        ~Turtle();
       /** * @brief 初始化函数 * @param[in]: name -> 机器人名字 * @retval: None **/ 
        void initialize(std::string name);
       /** * @brief 驱动机器人运动 * @param[in]: cmd -> 运动控制消息 * @retval: None **/ 
        void driveRobot(geometry_msgs::Twist cmd);
       /** * @brief 设置机器人起始位姿 * @param[in]: pose -> 起始位姿 * @retval: None **/ 
        void setStart(general_robot::Pose pose);
        /** * @brief 设置机器人起始位姿 * @param[in]: pose -> 起始位姿 * @retval: None **/ 
        void setGoal(general_robot::Pose pose);
}

这样设计的好处是在应用层接口可以统一起来，比如路径规划，我们只需要传入任意派生的机器人对象就可以实现多态，对不同结构、参数的机器人实现统一的规划算法。

3 机器人初始化

主要是位姿初始化，这里对于本地项目采用很简单的方式实现。对于CS架构，用户可以提交配置列表到后端服务器，服务器解析出位姿数据，再进行形如下面的初始化。为了避免业务逻辑混淆核心概念，本文就以下面的函数为例。

std::vector<turtle_robot::Turtle> robotInitialization()
{
    
    std::vector<turtle_robot::Turtle> robots;
    turtle_robot::Turtle robot1("robot1");
    general_robot::Pose start;
    start.x = -2.0;
    start.y = -0.5;
    start.theta = PI / 2;
    robot1.setStart(start);
    robots.push_back(robot1);

    turtle_robot::Turtle robot2("robot2");
    start.x = 2.0;
    start.y = 0.5;
    start.theta = PI / 2;
    robot2.setStart(start);
    robots.push_back(robot2);
    return robots;
}

4 实现跟随

首先打开一个ros循环，实现持久性的跟随任务。

while (ros::ok())
{
    
  // 接下来介绍的逻辑在这里
}

接着，获得机器人1相对地图的位姿

geometry_msgs::TransformStamped tfs = buffer.lookupTransform("map","robot1/base_footprint",ros::Time(0));
    ROS_INFO("[x:%.2f, y:%.2f]", tfs.transform.translation.x, tfs.transform.translation.y);

将这个全局位姿作为机器人2的目标点

goal.x = tfs.transform.translation.x;
goal.y = tfs.transform.translation.y;
goal.theta = PI / 2;
robots[1].setGoal(goal); 

继续循环

loop_rate.sleep();
ros::spinOnce();

5 效果展示

三维仿真场景如下所示：

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