松灵机器人scout mini小车 自主导航(4)——运行lio-sam建图

松灵机器人Scout mini小车运行lio-sam

在之前的工作中，我们已经实现了用小车搭载传感器，采用gmapping建图和navigation导航实现小车在2D环境中自主导航，但是实际我们采用的激光雷达多为三维激光雷达。因此决定采用lio-sam来建图。具体操作步骤如下。

1.下载雷达仿真

1.1下载激光雷达包

首先将VLP16线的激光雷达仿真包放入之前的工作空间中

git clone https://bitbucket.org/DataspeedInc/velodyne_simulator/src/master/

下载之后查看文件夹结构如下：

下载好VLP激光雷达仿真包之后重新catkin_make一次，生成激光雷达点云产生库链接。编译之后在/devel/lib文件夹下生成两个动态链接库

1.2添加雷达支架描述文件

为了操作方便，我们给激光雷达一个支架，使得激光雷达能够立在支架上面。在对应机器人的urdf文件夹下新建一个laser_support.xacro文件，写入以下内容：

雷达支架描述文件

<?xml version="1.0"?>
<robot name="laser_support" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 雷达支架 --><xacro:property name="support_length" value="0.30" /> <!-- 支架长度 --><xacro:property name="support_radius" value="0.025" /> <!-- 支架半径 --><xacro:property name="support_x_size" value="-0.2" /> <!-- 支架安装的x坐标 --><xacro:property name="support_y_size" value="0.0" /> <!-- 支架安装的y坐标 --><xacro:property name="support_z_size" value="${base_z_size}" /> <!-- 支架安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 支架高度 / 2  --><xacro:property name="support_m" value="0.02" /> <!-- 支架质量 --><link name="support"><visual><geometry><cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="red"><color rgba="0.8 0.2 0.0 0.8" /></material></visual><collision><geometry><cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><xacro:cylinder_inertial_matrix m="${support_m}" r="${support_radius}" h="${support_length}" /></link><joint name="support2base_link" type="fixed"><parent link="base_link" /><child link="support" /><origin xyz="${support_x_size} ${support_y_size} ${support_z_size}" /></joint><gazebo reference="support"><material>Gazebo/White</material></gazebo>
</robot>

1.3在机器人的urdf描述文件中添加激光雷达的描述(urdf/empty.urdf)

首先包含激光雷达的支架描述

然后添加雷达的两个属性描述变量

最后，包含激光雷达的描述文件，这里会用到上面两个属性变量

1.4 启动仿真

编写launch文件，启动rviz和gazebo查看机器人

<launch><arg name="model" /><arg name="gui"  default="False" /><!-- Loading model files --><arg name = "model_xacro" default = "$(find scout_description)/urdf/mini.xacro" /><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(arg model_xacro)" /><!-- <param  name="robot_description"  textfile="$(find scout_description)/urdf/scout_mini.urdf" /> --><param  name="use_gui"  value="$(arg gui)" /><!-- Launch  the joint state publisher --><node  name="joint_state_publisher"  pkg="joint_state_publisher"  type="joint_state_publisher" /><!-- Launch  the robot state publisher --><node  name="robot_state_publisher"  pkg="robot_state_publisher"  type="robot_state_publisher" /><node name="rviz"  pkg="rviz"  type="rviz"  args="-d $(find scout_description)/rviz/scout_mini_model_display.rviz" /> <arg name="world_name" default="$(find scout_gazebo_sim)/worlds/clearpath_playpen.world"/><include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"><arg name="world_name" value="$(arg world_name)"/><arg name="paused" value="false"/><arg name="use_sim_time" value="true"/><arg name="gui" value="true"/><arg name="headless" value="false"/><arg name="debug" value="false"/></include><node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model scout -param robot_description"  />  </launch>

运行launch文件后可以看到机器人携带小车如下

此时可以打开我们的话题，看看是否有点云输出

可以看到我们的点云是正常输出的。注意，我们我们为了在gazebo里面看到我们的机器人，所以没有在gazebo里面吧激光点云可视化出来，如果想要可视化可以通过修改 VLP-16.urdf.xacro 文件中这个地方

2.添加imu模块

我们需要跑的框架是LIO-SAM，需要用到IMU模块，因此我们还需要添加imu进入仿真中，同样的我们在机器人对应的urdf文件夹下新建一个imu.xacro文件，写入以下内容：

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">  <xacro:macro name="imu" params="sensor_name parent_link *origin"><xacro:property name="imu_offset_x" value="0" /><xacro:property name="imu_offset_y" value="0" /><xacro:property name="imu_offset_z" value="0.2" /><xacro:property name="imu_size"     value="0.05" /><xacro:property name="imu_m" value="0.01" /> <!-- imu质量 --><!-- imu --><joint name="imutobase" type="fixed"><!-- <origin xyz="${imu_offset_x} ${imu_offset_y} ${imu_offset_z}" rpy="0 0 0" /> --><xacro:insert_block name="origin" /><parent link="${parent_link}"/><child link="imu_base"/></joint><link name="imu_base"><visual><origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0" /><geometry><box size="${imu_size} ${imu_size} ${imu_size}"/></geometry>                <material name= "black" ><color rgba="1.0 0.0 0.0 0.6" /></material></visual><collision><geometry><box size="${imu_size} ${imu_size} ${imu_size}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><xacro:Box_inertial_matrix m = "${imu_m}" l = "${imu_size}" w = "${imu_size}" h = "${imu_size}"/></link><!-- 被引用的link --><gazebo reference="imu_base"><material>Gazebo/Bule</material><gravity>true</gravity><sensor name="imu_sensor" type="imu"><always_on>true</always_on><update_rate>100</update_rate><visualize>true</visualize><topic>__default_topic__</topic><plugin filename="libgazebo_ros_imu_sensor.so" name="imu_plugin"><topicName>imu/data</topicName><bodyName>imu_base</bodyName><updateRateHZ>100.0</updateRateHZ><gaussianNoise>0.01</gaussianNoise><xyzOffset>0 0 0</xyzOffset>     <rpyOffset>0 0 0</rpyOffset><frameName>imu_base</frameName>        </plugin><pose>0 0 0 0 0 0</pose></sensor></gazebo></xacro:macro>
</robot>

然后在urdf/empty.urdf文件中包含这个模块

3.lio-sam仿真

安装依赖

$ sudo apt-get install -y ros-noetic-navigation
$ sudo apt-get install -y ros-noetic-robot-localization
$ sudo apt-get install -y ros-noetic-robot-state-publisher

安装GTSAM

$ git clone https://github.com/borglab/gtsam
$ cd gtsam
$ mkdir build && cd build
# 注意这里要加-DGTSAM_BUILD_WITH_MARCH_NATIVE=OFF这个选项，不然后面运行会报错
$ cmake -DGTSAM_BUILD_WITH_MARCH_NATIVE=OFF ..
$ sudo make install -j8
$ sudo ln -s /usr/local/lib/libmetis-gtsam.so /usr/lib/libmetis-gtsam.so  //修改链接库

编译LIO-SAM

$ cd ~/robot_ws/src
$ git clone https://github.com/TixiaoShan/LIO-SAM  //不要用官网的lio-sam 用博主内的lio-sam
$ cd ..
$ catkin_make

4.运行结果

首先启动仿真环境

roslaunch scout_gazebo_sim  scout_mini_playpen.launch

运行lio-sam

roslaunch lio_sam run.launch 

键盘控制机器人移动

rosrun  teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py 

5.遇到的一些问题

gazebo中机器人静止，rviz中反复横跳

原因：lio-sam会对点云进行下采样滤波，滤波体素设置太大了，匹配过程出现误差，导致机器人优化出来的位姿反复横跳。
解决： 因为我们这里是在室内建图，所以在lio-sam的配置文件中把体素大小设置小一些

运行时报错 error while loading shared libraries: libmetis-gtsam.so: cannot open shared object file: No such file or directory

解决: sudo ln -s /usr/local/lib/libmetis-gtsam.so /usr/lib/libmetis-gtsam.so

**雷达和imu的xacro文件中 xacro:cylinder_inertial_matrix 和 xacro:Box_inertial_matrix报错

添加对应的惯性矩阵文件

惯性矩阵文件

<robot name="base" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- Macro for inertia matrix --><xacro:macro name="sphere_inertial_matrix" params="m r"><inertial><mass value="${m}" /><inertia ixx="${2*m*r*r/5}" ixy="0" ixz="0"iyy="${2*m*r*r/5}" iyz="0" izz="${2*m*r*r/5}" /></inertial></xacro:macro><xacro:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h"><inertial><mass value="${m}" /><inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy = "0" ixz = "0"iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz = "0"izz="${m*r*r/2}" /> </inertial></xacro:macro><xacro:macro name="Box_inertial_matrix" params="m l w h"><inertial><mass value="${m}" /><inertia ixx="${m*(h*h + l*l)/12}" ixy = "0" ixz = "0"iyy="${m*(w*w + l*l)/12}" iyz= "0"izz="${m*(w*w + h*h)/12}" /></inertial></xacro:macro>
</robot>