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[数据结构与算法](一)路径规划算法---Astar实现自定义的全局路径规划插件

Astar实现自定义的全局路径规划插件


本篇代码: astar_plugin
参考链接: https://www.ncnynl.com/archives/201708/1887.html
参考视频: https://www.bilibili.com/video/BV1JF41137RH?spm_id_from=333.337.search-card.all.click
相信看过前几篇关于Astar算法的原理和使用,大家基本对算法本身有了一定了解,那么怎么把自己实现的路径规划放到真实机器人中,让机器人按照你实现的全局路径规划算法进行运动。

ROS具有及其丰富的插件机制,让众多开发者只需关注算法本身的实现,然后通过插件注册机制。本文会一步一步进行插件机制如何使用,并不会过多介绍算法本体。


1.插件功能包的建立

首先给出本文实现的Astar插件功能包的文件索引图
在这里插入图片描述

相关文件夹和文件说明如下

include:算法本体和插件机制实现的头文件

src:算法本体和插件机制实现的源文件

config:定位和导航的配置文件,测试时使用

params:导航和自身插件所需要的参数设置文件

launch:测试插件的启动文件

rviz:rviz配置文件

maps:测试所需要的仿真地图文件

CMakeLists.txt:编译插件包

package.xml:编译和注册插件包

astar_plugin.xml:插件包的说明


2. 相关步骤

2.1 建立工作空间和环境变量的配置

在根目录下

mkdir -p astar_ws/src
cd astar_ws/src
catkin_init_worksapce
cd ..
catkin_make

配置环境变量

sudo gedit ~/.bashrc

在打开的文件下方添加

source ~/astar_ws/devel/setup.bash

最后在配置环境变量

source ~/.bashrc

2.2 建立功能包

cd astar_ws/src
catkin_create_pkg astar_plugin nav_core roscpp rospy std
catkin_make

注意在创建功能包一定需要添加nav_core消息类型

2.3 添加源文件与头文件

include头文件/src源文件包括

Astar.h/Astar.cpp:Astar算法本体文件,就是Astar与C++可视化在RVIZ的二维栅格地图章的算法

AstarNode.h/AstarNode.cpp:插件机制与对外接口函数

2.3.1AstarNode.h头文件

头文件基本框架如下,首先定义一个命名空间Astar_planner,然后定义一个C++类AstarPlannerRos ,该类一定要继承nav_core::BaseGlobalPlanner。然后在该类中重写initialize,makePlan方法

#pragma once
#ifndef __ROS_Astar__
#define __ROS_Astar__
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h> 
#include <string>
#include <ros/ros.h>
#include <actionlib/client/simple_action_client.h>
#include <move_base_msgs/MoveBaseAction.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <geometry_msgs/PoseStamped.h>
#include <geometry_msgs/PoseWithCovarianceStamped.h>
#include <move_base_msgs/MoveBaseGoal.h>
#include <move_base_msgs/MoveBaseActionGoal.h>
#include "sensor_msgs/LaserScan.h"
#include "sensor_msgs/PointCloud2.h"
#include <nav_msgs/Odometry.h>
#include <nav_msgs/OccupancyGrid.h>
#include <nav_msgs/Path.h>
#include <nav_msgs/GetPlan.h>
#include <tf/tf.h>
#include <tf/transform_datatypes.h>
#include <tf/transform_listener.h>
#include <boost/foreach.hpp>
#include <costmap_2d/costmap_2d_ros.h>
#include <costmap_2d/costmap_2d.h>
#include <nav_core/base_global_planner.h>
#include <geometry_msgs/PoseStamped.h>
#include <base_local_planner/world_model.h>
#include <base_local_planner/costmap_model.h>
#include <set>
using namespace std;
namespace Astar_planner
{
  class AstarPlannerRos:public nav_core::BaseGlobalPlanner
  {
    public:
      AstarPlannerRos();
      AstarPlannerRos(ros::NodeHandle &);
      AstarPlannerRos(std::string name,costmap_2d::Costmap2DROS* costmap_ros);
      ros::NodeHandle ROSNodeHandle;
      void loadRosParamFromNodeHandle(const ros::NodeHandle& nh);
      void initialize(std::string name,costmap_2d::Costmap2DROS* costmap_ros);
      bool makePlan(const geometry_msgs::PoseStamped& start,const geometry_msgs::PoseStamped& goal,std::vector<geometry_msgs::PoseStamped>& plan);
      std::vector<int> WorldTomap(double wx,double wy);
      std::vector<double> MapToWorld(int my, int mx);
      costmap_2d::Costmap2DROS* costmap_ros_;
      costmap_2d::Costmap2D* costmap_;
      bool initialize_; 
    private:
      std::vector<int>m_mapData;
      int m_width;
      int m_hight;
      std::string m_distance;
      double m_weight_a;
      double m_weight_b;
  };
};
#endif

2.3.2AstarNode.cpp源文件

源文件主要对头文件中各函数进行实现,其中比较重要的是

loadRosParamFromNodeHandle:该函数用于加载外部的参数文件,实现源代码与参数解耦。自定义函数

initialize:主要用于地图相关数据的读取,地图数据是一维,其中0表示自由可通行区域,100表示障碍物。并不是自定义的函数,需要重写。

makePlan:进行路径轨迹的生成,通过函数自带的起点start和目标点goal,以及算法本身的调用,最终生成plan路径。并不是自定义的函数,需要重写。

注意:并且makePlan在生成路径点的时候,一定要生成从起点到终点的路径,不能生成从终点到起点的路径(Astar一般都是逆向寻找路径点,默认生成从终点到起点的)。这点一定要注意,本人在这个地方卡了很长时间,编译不报错,运行不报错,就是不生成路径,特别难受。这也是本文代码中for (int i=astarPath.size()-1;i>-1;i–)的原因。如果你的算法本身生成就是从起点到终点的,那么就可以直接进行for循环了。

#include <stdio.h>
#include <string>
#include "AstarNode.h"
#include "Astar.h"
#include <pluginlib/class_list_macros.h>
#include <ctime>
PLUGINLIB_EXPORT_CLASS(Astar_planner::AstarPlannerRos,nav_core::BaseGlobalPlanner)

int mapSize;
float originX;
float originY;
int width;
int hight;
float resolution;

namespace Astar_planner
{
    AstarPlannerRos::AstarPlannerRos()
    {

    }

    AstarPlannerRos::AstarPlannerRos(ros::NodeHandle &nh)
    {
        ROSNodeHandle=nh;
    }

    AstarPlannerRos::AstarPlannerRos(std::string name,costmap_2d::Costmap2DROS* costmap_ros)
    {
        initialize(name,costmap_ros);
    }
    void AstarPlannerRos::loadRosParamFromNodeHandle(const ros::NodeHandle& nh)
    {
       nh.param("distance",m_distance,std::string("euclidean"));
       nh.param("weight_a",m_weight_a,1.0);
       nh.param("weight_b",m_weight_b,1.0);
    }
    void AstarPlannerRos::initialize(std::string name,costmap_2d::Costmap2DROS* costmap_ros)
    {
       cout<<"######### hello astar plugins ##########"<<endl;
        if (!initialize_)
        {
            costmap_ros_=costmap_ros;
            costmap_=costmap_ros_->getCostmap();
            originX = costmap_->getOriginX();
            originY = costmap_->getOriginY();
            width = costmap_->getSizeInCellsX();
            hight = costmap_->getSizeInCellsY();
            resolution = costmap_->getResolution();

            ros::NodeHandle nh("~/"+name);
            loadRosParamFromNodeHandle(nh);

            mapSize = width*hight;
            cout<<"************msg message**********"<<endl;
            cout<<"originX:"<<originX<<endl;
            cout<<"originY:"<<originY<<endl;
            cout<<"width:"<<width<<endl;
            cout<<"height:"<<hight<<endl;
            cout<<"resolution:"<<resolution<<endl;
            cout<<"*********************************"<<endl;
            m_mapData.resize(mapSize);
            m_width=width;
            m_hight=hight;
            for (int iy=0;iy<costmap_->getSizeInCellsY();iy++)
            {
                for (int ix=0;ix<costmap_->getSizeInCellsX();ix++)
                {
                   unsigned int cost=static_cast<int>(costmap_->getCost(ix,iy));
                    if (cost==0)
                        m_mapData[iy*width+ix]=0;
                    else
                        m_mapData[iy*width+ix]=100;
                }
            }
            ROS_INFO("Astar planner initialized successfully");
            initialize_ = true;
        }
        else
           ROS_WARN("This planner has already been initialized... doing nothing");
    }

    bool AstarPlannerRos::makePlan(const geometry_msgs::PoseStamped& start,const geometry_msgs::PoseStamped& goal,std::vector<geometry_msgs::PoseStamped>& plan)
    {
        cout<<"######hello astar plan######"<<endl;
        if (!initialize_)
        {
            ROS_ERROR("The planner has not been initialized, please call initialize() to use the planner");
            return false;
        }
		
        ROS_DEBUG("Got a start: %.2f, %.2f, and a goal: %.2f, %.2f", start.pose.position.x, start.pose.position.y,goal.pose.position.x, goal.pose.position.y);
        plan.clear();

        if (goal.header.frame_id != costmap_ros_->getGlobalFrameID())
        {
            ROS_ERROR("This planner as configured will only accept goals in the %s frame, but a goal was sent in the %s frame.",costmap_ros_->getGlobalFrameID().c_str(), goal.header.frame_id.c_str());
            return false;
        }
        tf::Stamped < tf::Pose > goal_tf;
        tf::Stamped < tf::Pose > start_tf;
        poseStampedMsgToTF(goal, goal_tf);
        poseStampedMsgToTF(start, start_tf);
        float startX = start.pose.position.x;
        float startY = start.pose.position.y;
        float goalX = goal.pose.position.x;
        float goalY = goal.pose.position.y;
        
        cout<<"startX:"<<startX<<" "<<"startY:"<<startY<<endl;
        cout<<"goalX:"<<goalX<<" "<<"goalY:"<<goalY<<endl;

		//定义起点
		std::vector<std::vector<int> >start_map_point;
        start_map_point.clear();
		start_map_point.push_back(WorldTomap(startX,startY));
        cout<<"start:"<<"("<<start_map_point[0][0]<<","<<start_map_point[0][1]<<")"<<endl;
		if (start_map_point[0][0]==-1&&start_map_point[0][1]==-1)
            std::cout<<"\033[0;31m[E] : Please set the valid goal point\033[0m"<<endl;
		
		//定义终点
		std::vector<std::vector<int> >goal_map_point;
        goal_map_point.clear();
		goal_map_point.push_back(WorldTomap(goalX,goalY));
        cout<<"goal:"<<"("<<goal_map_point[0][0]<<","<<goal_map_point[0][1]<<")"<<endl;
		if (goal_map_point[0][0]==-1&&goal_map_point[0][1]==-1)
			std::cout<<"\033[0;30m[Kamerider E] : Please set the valid goal point\033[0m"<<endl;
		
		//开始Astar寻路
        int xStart=start_map_point[0][1];
        int yStart=start_map_point[0][0];

        int xStop=goal_map_point[0][1];
        int yStop=goal_map_point[0][0];
        // float weight_a=1.0;
        // float weight_b=1.0;
        // std::string distance="euclidean";

        ASTAR::CAstar astar(xStart, yStart, xStop, yStop, m_weight_a, m_weight_b,ASTAR::CAstar::PathType::NOFINDPATHPOINT,m_distance);
        astar.InitMap(m_mapData,m_width,m_hight);

        std::vector<std::pair<int, int> >astarPath;   //Astar算法的路径点
        clock_t time_stt=clock();
        astarPath=astar.PathPoint();
        cout<<"\033[0;32m[W] :Astar Get Time:\033[0m"<<1000*(clock()-time_stt)/(double)CLOCKS_PER_SEC<<"ms"<<endl;
        cout<<"astar size:"<<astarPath.size()<<endl;

        if (astarPath.size()>0)
        {
            for (int i=astarPath.size()-1;i>-1;i--)
            {
               geometry_msgs::PoseStamped current_pose=goal;
                float x=0.0,y=0.0;
                x=MapToWorld(astarPath[i].first,astarPath[i].second)[0];
                y=MapToWorld(astarPath[i].first,astarPath[i].second)[1];
                current_pose.pose.position.x=x;
                current_pose.pose.position.y=y;
                current_pose.pose.position.z = 0.0;

                current_pose.pose.orientation.x = 0.0;
                current_pose.pose.orientation.y = 0.0;
                current_pose.pose.orientation.z = 0.0;
                current_pose.pose.orientation.w = 1.0;
                
                plan.push_back(current_pose);
            }
               return  true;
        }
        else
        {
            ROS_WARN("Not valid start or goal");
            return false;
        }
		
    }
	
	std::vector<int> AstarPlannerRos::WorldTomap(double wx,double wy)
	{
		std::vector<int> v;
        v.clear();
		if (wx<(1.0*originX) || wy<(1.0*originY))
		{
			v.push_back(-1);
			v.push_back(-1);
			return v;
	    }
	    int mx=int((1.0*(wx-originX))/resolution);
	    int my=int((1.0*(wy-originY))/resolution);
		if (mx<width && my<hight)
		{
			v.push_back(mx);
			v.push_back(my);
			return v;
		}

    }

    std::vector<double> AstarPlannerRos::MapToWorld(int my,int mx)
    {
	   std::vector<double> v;
       v.clear();
	   if(mx>width || my>hight)
	   {
		   v.push_back(-1);
		   v.push_back(-1);
		   return v;
	   }
	   double wx=(mx*resolution+originX);
	   double wy=(my*resolution+originY);
	   if (wx>originX&&wy>originY)
	   {
		   v.push_back(wx);
		   v.push_back(wy);
		   return v;
	   }
    }
};

2.4 插件包进行编译

2.4.1 CMakeLists.txt改写

主要是将AstarNode.cpp编译成libastar_plugin_lib.so动态链接库。

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)
project(astar_plugin)

# add_compile_options(-std=c++11)

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  nav_core
  roscpp
  rospy
  std_msgs
)

include_directories(
# include
  ${catkin_INCLUDE_DIRS}
)

include_directories(include/astar_plugin)
add_library(astar_plugin_lib src/AstarNode.cpp src/Astar.cpp)

2.4.2 astar_plugin.xml改写

其中lib/libastar_plugin_lib表示上述生成动态链接库的位置

classname按照命名空间/类名,type按照命名空间::类名,base_class_type表示继承的父类。

<library path="lib/libastar_plugin_lib">
  <class name="Astar_planner/AstarPlannerRos" type="Astar_planner::AstarPlannerRos" base_class_type="nav_core::BaseGlobalPlanner">
    <description>This is astar global planner plugin by iroboapp project.</description>
  </class>
</library>

2.4.3 package.xml 改写

前面都是一些基本的ros包一些依赖的添加,主要重要的是export中对插件说明文件astar_plugin.xml进行注册。

<?xml version="1.0"?>
<package format="2">
  <name>astar_plugin</name>
  <version>0.0.0</version>
  <description>The astar_plugin package</description>
    
  <maintainer email="tgj@todo.todo">tgj</maintainer>

  <license>TODO</license>

  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  <build_depend>nav_core</build_depend>
  <build_depend>roscpp</build_depend>
  <build_depend>rospy</build_depend>
  <build_depend>std_msgs</build_depend>
  <build_export_depend>nav_core</build_export_depend>
  <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
  <build_export_depend>rospy</build_export_depend>
  <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>
  <exec_depend>nav_core</exec_depend>
  <exec_depend>roscpp</exec_depend>
  <exec_depend>rospy</exec_depend>
  <exec_depend>std_msgs</exec_depend>


  <!-- The export tag contains other, unspecified, tags -->
  <export>
    <!-- Other tools can request additional information be placed here -->
    <nav_core plugin="${prefix}/astar_plugin.xml" />
  </export>
</package>

为了插件包的正常工作,建议将上述三者编译文件路径均放在同一文件中,具体位置见插件功能包的建立。

2.4.4 编译

cd astar_ws/src/astar_plugin
catkin_make

2.5 检验插件包是否建立成功

上述如果编译没问题,那么在终端

rospack plugins --attrib=plugin nav_core

进行astar的插件判断
在这里插入图片描述
如果没有发现astar插件,并且编译没有报错,极有可能环境变量没有添加成功。

2.6 插件的使用

全局路径规划插件使用当然在ros中的move_base节点中,添加自定义的全局路径规划器base_global_planner,然后动态加载自定义的该插件算法所用到的一些参数文件astar_plugin_param.yaml。并且注意一点将原先存在的全局路径规划器注释掉。
在这里插入图片描述


3. 插件执行情况

再说插件执行情况之前,先简单介绍launch与各个文件夹之间的关系。
在这里插入图片描述
启动

roslaunch astar_plugin start_plugin.launch

通过rviz中的2D Nav Goal设置一个目标点,则执行情况如下。

时刻1
时刻2
时刻3
结果

4. 注意事项

Ubuntn16.04 turtlebot1代功能包安装直接二进制安装

sudo apt-get install ros-kinetic-turtlebot-*
#其实就是缺啥包安装哪个就行

Ubuntn18.04 由于二进制安装的turtlebot为turtlrbot2,代码并不能通用,因此需要通过源码安装turtlebot,网上有很多方法,但是比较费事,现在推荐一款较方便的方法.ROS Melodic安装、配置和使用turtlebot2(集成众多源代码直接下载

#1.安装依赖包
sudo apt-get install ros-melodic-kobuki-*
sudo apt-get install ros-melodic-ecl-streams
sudo apt-get install libusb-dev
sudo apt-get install libspnav-dev
sudo apt-get install ros-melodic-joystick-drivers
sudo apt-get install bluetooth
sudo apt-get install libbluetooth-dev
sudo apt-get install libcwiid-dev
sudo apt-get install ros-melodic-bfl
#2.编译安装,turtlebot_ws为工作空间
git clone https://gitee.com/massif_li/turtlebot_ws.git
cd turtlebot_ws
catkin_make

可能遇到的问题

问题1:Failed to load nodelet [/navigation_velocity_smoother] of type [yocs_velocity_smoother/VelocitySmootherNodelet] even after refreshing the cache: According to the loaded plugin descriptions the class yocs_velocity_smoother/VelocitySmootherNodelet with base class type nodelet::Nodelet does not exist.

解决方法:

sudo apt-get install ros-melodic-yocs-velocity-smoother

参考:原文链接:https://blog.csdn.net/gloria_littlechi/article/details/107402856 、
https://blog.csdn.net/gloria_littlechi/article/details/107402856

问题2:出现ImportError: No module named scipy

解决方法:

sudo apt-get install python-scipy

参考:https://blog.csdn.net/qq_41204464/article/details/103575669

问题3:若运行出现amcl、map_server、move_base等包的缺失,则直接通过二进制安装即可

注意:上述代码是自己慢慢摸索出来的,可能会存在一定的bug,但是整体的全局路径规划算法框架基本没有问题,转载请注明出处,谢谢。

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