介绍ROS中的nav_msgs

介绍ROS中的nav_msgs

nav_msgs 是一个 ROS 包,它提供了一组消息类型,用于处理机器人导航和路径规划。在本回答中,我们将介绍 nav_msgs 中的一些常用消息类型,并提供一些 C++ 示例,涉及创建、发布和订阅这些消息。

  1. nav_msgs::Odometry
    nav_msgs::Odometry 消息表示一个机器人的位置、速度和方向。这个消息通常由机器人的定位系统发布,例如轮式里程计、激光扫描仪或视觉 SLAM 系统。下面是一个创建和发布 nav_msgs::Odometry 的简单示例:

首先,确保在 package.xml 文件中添加对 nav_msgs 的依赖项:

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<depend>nav_msgs</depend>


然后,在 C++ 代码中添加以下内容:
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#include <ros/ros.h>
#include <nav_msgs/Odometry.h>

int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "odometry_publisher");
ros::NodeHandle nh;
ros::Publisher odom_pub = nh.advertise<nav_msgs::Odometry>("odom", 10);

ros::Rate loop_rate(10); // 10 Hz

while (ros::ok())
{
nav_msgs::Odometry odom;
odom.header.stamp = ros::Time::now();
odom.header.frame_id = "odom";
odom.child_frame_id = "base_link";

// 设置位置和速度等参数

odom_pub.publish(odom);
ros::spinOnce();
loop_rate.sleep();
}

return 0;
}

  1. nav_msgs::Path
    nav_msgs::Path 消息表示一条路径,由一系列的 geometry_msgs::PoseStamped 消息组成。这个消息通常由路径规划器生成,然后被导航系统用来指导机器人沿着路径行驶。下面是一个创建和发布 nav_msgs::Path 的简单示例:

在 C++ 代码中添加以下内容:

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#include <ros/ros.h>
#include <nav_msgs/Path.h>
#include <geometry_msgs/PoseStamped.h>

int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "path_publisher");
ros::NodeHandle nh;
ros::Publisher path_pub = nh.advertise<nav_msgs::Path>("path", 10);

ros::Rate loop_rate(1); // 1 Hz

nav_msgs::Path path;
path.header.stamp = ros::Time::now();
path.header.frame_id = "map";

while (ros::ok())
{
geometry_msgs::PoseStamped pose_stamped;
pose_stamped.header.stamp = ros::Time::now();
pose_stamped.header.frame_id = "map";

// 设置位置和方向等参数

path.poses.push_back(pose_stamped);

path_pub.publish(path);
ros::spinOnce();
loop_rate.sleep();
}

return 0;
}


这个示例将发布一个持续增长的路径。在实际应用中,你可能需要根据机器人的任务和环境来生成和发布合适的路径。

  1. nav_msgs::Occupancy
    nav_msgs::OccupancyGrid 消息表示一个网格地图,其中每个单元格包含障碍物的占用概率。这个消息通常由激光扫描仪或深度相机生成,然后被路径规划器和导航系统用来进行环境感知和避障。下面是一个创建和发布 nav_msgs::OccupancyGrid 的简单示例:

在 C++ 代码中添加以下内容:

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#include <ros/ros.h>
#include <nav_msgs/OccupancyGrid.h>

int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "map_publisher");
ros::NodeHandle nh;
ros::Publisher map_pub = nh.advertise<nav_msgs::OccupancyGrid>("map", 10);

ros::Rate loop_rate(0.1); // 0.1 Hz

nav_msgs::OccupancyGrid map;
map.header.stamp = ros::Time::now();
map.header.frame_id = "map";
map.info.resolution = 0.1; // 每个单元格的大小为 0.1 米
map.info.width = 100; // 地图宽度为 100 米 / 0.1 米/单元格 = 1000 个单元格
map.info.height = 100; // 地图高度为 100 米 / 0.1 米/单元格 = 1000 个单元格
map.data.resize(map.info.width * map.info.height);

while (ros::ok())
{
// 更新地图数据

map_pub.publish(map);
ros::spinOnce();
loop_rate.sleep();
}

return 0;
}

这个示例将发布一个静态的网格地图。在实际应用中,你可能需要根据机器人的运动和环境变化来更新地图数据。

在使用 nav_msgs 中的这些消息时,你还可以使用 rosbag 工具来记录和重放消息。例如,你可以使用 rosbag 工具记录机器人的运动轨迹和感知数据,然后在离线环境中进行仿真和测试。以下是一个使用 rosbag 工具记录 nav_msgs::Odometry 消息的简单示例:

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$ rosbag record -O odom.bag /odom

这将记录一个名为 odom.bag 的 rosbag 文件,并订阅 /odom 话题以记录 nav_msgs::Odometry 消息。你可以在需要时使用 rosbag 工具回放这些消息,以便进行离线分析和测试。

总之,在本回答中,我们详细介绍了 nav_msgs 中的一些常用消息类型,并提供了一些 C++ 示例,涉及创建、发布和订阅这些消息。这些示例可以帮助你了解如何在机器人系统中使用 nav_msgs 消息来实现机器人导航和路径规划。

以下是一个使用 nav_msgs::OccupancyGrid 消息和 map_server 包来加载和保存地图的简单示例:

  1. 创建一个 ROS 软件包,命名为 map_loader_saver,并添加对 nav_msgs 和 map_server 的依赖项。
  2. 在 src 文件夹下创建一个名为 map_loader_saver_node.cpp 的 C++ 文件,并添加以下内容:

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    #include <ros/ros.h>
    #include <nav_msgs/OccupancyGrid.h>
    #include <map_server/map_server.h>

    int main(int argc, char **argv)
    {
    ros::init(argc, argv, "map_loader_saver_node");
    ros::NodeHandle nh;

    // 加载地图文件
    map_server::MapServer map_server;
    if (!map_server.load("map.yaml"))
    {
    ROS_ERROR("Failed to load map!");
    return -1;
    }

    // 获取地图信息和数据
    nav_msgs::OccupancyGrid map = map_server.getMap();

    // 保存地图数据到文件
    FILE *fp = fopen("map.bin", "wb");
    fwrite(&map.info.width, sizeof(int), 1, fp);
    fwrite(&map.info.height, sizeof(int), 1, fp);
    fwrite(map.data.data(), sizeof(int8_t), map.data.size(), fp);
    fclose(fp);

    // 加载地图数据并发布到话题
    fp = fopen("map.bin", "rb");
    int width, height;
    fread(&width, sizeof(int), 1, fp);
    fread(&height, sizeof(int), 1, fp);
    nav_msgs::OccupancyGrid new_map;
    new_map.header.frame_id = "map";
    new_map.info.resolution = map.info.resolution;
    new_map.info.width = width;
    new_map.info.height = height;
    new_map.info.origin = map.info.origin;
    new_map.data.resize(new_map.info.width * new_map.info.height);
    fread(new_map.data.data(), sizeof(int8_t), new_map.data.size(), fp);
    fclose(fp);

    ros::Publisher map_pub = nh.advertise<nav_msgs::OccupancyGrid>("map", 10);
    ros::Rate loop_rate(10); // 10 Hz

    while (ros::ok())
    {
    new_map.header.stamp = ros::Time::now();
    map_pub.publish(new_map);
    ros::spinOnce();
    loop_rate.sleep();
    }

    return 0;
    }

  3. 创建一个名为 map.yaml 的地图文件,并将以下内容复制到文件中:

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    image: map.png
    resolution: 0.1
    origin: [-10.0, -10.0, 0.0]
    occupied_thresh: 0.65
    free_thresh: 0.196
    negate: 0

    这个文件描述了地图的元信息,包括地图文件名、分辨率、原点坐标和障碍物和自由空间的阈值。在实际应用中,你需要根据实际环境和任务需求来生成和编辑地图文件。

  4. 创建一个名为 map.png 的地图图片,并将其放置在与 map.yaml 文件相同的目录下。

  5. 在 CMakeLists.txt 文件中添加以下内容:

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    find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
    roscpp
    nav_msgs

    )
  6. 在 CMakeLists.txt 文件中添加以下内容:
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    add_executable(map_loader_saver_node src/map_loader_saver_node.cpp)
    target_link_libraries(map_loader_saver_node ${catkin_LIBRARIES})

  7. 在终端中执行以下命令,编译 ROS 软件包:
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    $ cd ~/catkin_ws
    $ catkin_make

  8. 在终端中执行以下命令,运行 map_loader_saver_node 节点:
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    $ roslaunch map_loader_saver map_loader_saver.launch

    这将加载地图文件、保存地图数据到文件、加载地图数据并发布到话题,以及显示地图数据的 RViz 窗口。

在这个示例中,我们使用 map_server 包来加载和保存地图数据。首先,我们加载地图文件 map.yaml,然后获取地图信息和数据,保存数据到二进制文件 map.bin 中,再从文件中加载数据,并发布到话题。在实际应用中,你可以根据实际需求,选择适合的地图文件格式和工具,来加载、保存和处理地图数据。

总之,在本回答中,我们介绍了如何使用 nav_msgs::OccupancyGrid 消息和 map_server 包来加载和保存地图数据,并提供了一个简单的 C++ 示例。但是,在实际机器人应用中,你可能需要结合多种消息类型和工具,来实现复杂的地图构建、感知和导航任务。

nav_msgs::Path

nav_msgs::Path 消息表示机器人的路径,由一系列 geometry_msgs::PoseStamped 消息组成。这个消息通常由路径规划器生成,然后由机器人控制器使用来执行导航任务。下面是一个创建和发布 nav_msgs::Path 的简单示例:

在 C++ 代码中添加以下内容:

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#include <ros/ros.h>
#include <nav_msgs/Path.h>
#include <geometry_msgs/PoseStamped.h>

int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "path_publisher");
ros::NodeHandle nh;
ros::Publisher path_pub = nh.advertise<nav_msgs::Path>("path", 10);

ros::Rate loop_rate(1); // 1 Hz

nav_msgs::Path path;
path.header.stamp = ros::Time::now();
path.header.frame_id = "map";

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
geometry_msgs::PoseStamped pose;
pose.header.stamp = ros::Time::now();
pose.header.frame_id = "map";
pose.pose.position.x = i;
pose.pose.position.y = i;
pose.pose.orientation.w = 1.0;
path.poses.push_back(pose);
}

while (ros::ok())
{
path_pub.publish(path);
ros::spinOnce();
loop_rate.sleep();
}

return 0;
}

这个示例将发布一个简单的直线路径,沿着地图的对角线移动。在实际应用中,你可能需要根据任务需求和环境变化,动态生成和更新机器人的路径。

在使用 nav_msgs 中的这些消息时,你还可以使用 ROS 工具来实现路径规划和导航功能。例如,你可以使用 move_base 包来实现机器人的自主导航,该包提供了一种基于全局路径规划和局部避障的机器人控制方式。以下是一个启动 move_base 的简单示例:

在终端中执行以下命令,启动 move_base:

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$ roslaunch move_base move_base.launch


这将启动 move_base 节点和相关的 ROS 话题和服务,以及 RViz 窗口。

在 move_base 启动后,你需要在 RViz 中设置机器人的起始位置和目标位置,然后 move_base 将基于全局地图和局部传感器数据,生成路径并执行导航任务。在此过程中,你可以使用 rostopic 工具来查看和调试机器人的导航状态和命令。例如,你可以在终端中执行以下命令,订阅 /move_base/status 话题,以查看机器人的导航状态:

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$ rostopic echo /move_base/status

nav_msgs::Odometry

nav_msgs::Odometry 消息表示机器人的里程计信息,包括位置、速度和方向等。该消息通常由机器人驱动程序或传感器采集程序生成,然后由机器人控制器使用来执行导航任务。下面是一个生成和发布 nav_msgs::Odometry 的简单示例:

在 C++ 代码中添加以下内容:

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#include <ros/ros.h>
#include <nav_msgs/Odometry.h>
#include <geometry_msgs/Quaternion.h>

int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "odometry_publisher");
ros::NodeHandle nh;
ros::Publisher odom_pub = nh.advertise<nav_msgs::Odometry>("odom", 10);

ros::Rate loop_rate(10); // 10 Hz

double x = 0.0, y = 0.0, th = 0.0;
double vx = 0.1, vy = -0.1, vth = 0.1;
double dt = 0.1;

while (ros::ok())
{
x += vx * dt;
y += vy * dt;
th += vth * dt;

nav_msgs::Odometry odom;
odom.header.stamp = ros::Time::now();
odom.header.frame_id = "odom";
odom.child_frame_id = "base_link";
odom.pose.pose.position.x = x;
odom.pose.pose.position.y = y;
odom.pose.pose.orientation = tf::createQuaternionMsgFromYaw(th);
odom.twist.twist.linear.x = vx;
odom.twist.twist.linear.y = vy;
odom.twist.twist.angular.z = vth;

odom_pub.publish(odom);
ros::spinOnce();
loop_rate.sleep();
}

return 0;
}


这个示例将发布一个简单的里程计信息,模拟机器人沿着对角线移动的过程。在实际应用中,你可能需要使用机器人传感器或其他外部设备,来获取更精确和稳定的里程计信息。

在使用 nav_msgs 中的这些消息时,你还可以使用 ROS 工具来实现机器人的导航和控制功能。例如,你可以使用 robot_localization 包来对机器人的位姿和速度进行滤波和估计,以提高里程计信息的精度和鲁棒性。以下是一个启动 robot_localization 的简单示例:

在终端中执行以下命令,启动 robot_localization:

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$ roslaunch robot_localization ekf_template.launch


这将启动 robot_localization 节点和相关的 ROS 话题和服务,以及 RViz 窗口。

在 robot_localization 启动后,你需要订阅机器人的里程计信息和其他传感器数据,然后 robot_localization 将基于卡尔曼滤波等技术,对机器人的位姿和速度进行估计和预测。在此过程中,你可以使用 rostopic 工具来查看和调试机器人的状态和命令。例如,你可以在终端中执行以下命令,订阅 /odometry/filtered 话题,以查看机器人的估计位姿和速度:

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$ rostopic echo /odometry/filtered

nav_msgs::GridCells

nav_msgs::GridCells 消息表示一个二维网格,由一系列的单元格组成。该消息通常用于表示障碍物、局部地图或其他网格数据。下面是一个创建和发布 nav_msgs::GridCells 的简单示例:

在 C++ 代码中添加以下内容:

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#include <ros/ros.h>
#include <nav_msgs/GridCells.h>
#include <geometry_msgs/Point.h>

int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "grid_cells_publisher");
ros::NodeHandle nh;
ros::Publisher grid_cells_pub = nh.advertise<nav_msgs::GridCells>("grid_cells", 10);

ros::Rate loop_rate(1); // 1 Hz

nav_msgs::GridCells grid_cells;
grid_cells.header.stamp = ros::Time::now();
grid_cells.header.frame_id = "map";
grid_cells.cell_width = 1.0;
grid_cells.cell_height = 1.0;

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
geometry_msgs::Point point;
point.x = i;
point.y = i;
point.z = 0.0;
grid_cells.cells.push_back(point);
}

while (ros::ok())
{
grid_cells_pub.publish(grid_cells);
ros::spinOnce();
loop_rate.sleep();
}

return 0;
}


这个示例将发布一个简单的网格数据,由沿着地图的对角线的单元格组成。在实际应用中,你可能需要使用更复杂的算法和数据结构,来生成和处理网格数据。

在使用 nav_msgs 中的这些消息时,你还可以使用 ROS 工具来实现网格数据的构建和处理功能。例如,你可以使用 costmap_2d 包来实现机器人的局部地图和避障功能,该包提供了一种基于网格地图和传感器数据的避障和路径规划方式。以下是一个启动 costmap_2d 的简单示例:

在终端中执行以下命令,启动 costmap_2d:

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$ roslaunch turtlebot3_navigation turtlebot3_navigation.launch map_file:=/path/to/map.yaml


这将启动 costmap_2d 节点和相关的 ROS 话题和服务,以及 RViz 窗口。

在 costmap_2d 启动后,你需要在 RViz 中设置机器人的起始位置和目标位置,然后 costmap_2d 将基于全局地图和局部传感器数据,生成网格地图并执行导航任务。在此过程中,你可以使用 rostopic 工具来查看和调试机器人的导航状态和命令。例如,你可以在终端中执行以下命令,订阅 /move_base/status 话题,以查看机器人的导航状态:

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$ rostopic echo /move_base/status

nav_msgs::OccupancyGrid

nav_msgs::OccupancyGrid 消息表示一个二维网格地图,每个单元格包含一个障碍物概率值(介于 0 和 100 之间),表示该单元格是否被占用。该消息通常用于机器人的导航和避障,可以通过传感器数据或算法生成。下面是一个创建和发布 nav_msgs::OccupancyGrid 的简单示例:

在 C++ 代码中添加以下内容:

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#include <ros/ros.h>
#include <nav_msgs/OccupancyGrid.h>

int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "occupancy_grid_publisher");
ros::NodeHandle nh;
ros::Publisher occupancy_grid_pub = nh.advertise<nav_msgs::OccupancyGrid>("map", 10);

ros::Rate loop_rate(1); // 1 Hz

nav_msgs::OccupancyGrid occupancy_grid;
occupancy_grid.header.stamp = ros::Time::now();
occupancy_grid.header.frame_id = "map";
occupancy_grid.info.resolution = 0.1;
occupancy_grid.info.width = 10;
occupancy_grid.info.height = 10;
occupancy_grid.info.origin.position.x = -1.0;
occupancy_grid.info.origin.position.y = -1.0;
occupancy_grid.info.origin.position.z = 0.0;
occupancy_grid.info.origin.orientation.w = 1.0;

for (int i = 0; i < occupancy_grid.info.width * occupancy_grid.info.height; i++)
{
if (i % 2 == 0)
{
occupancy_grid.data.push_back(100);
}
else
{
occupancy_grid.data.push_back(0);
}
}

while (ros::ok())
{
occupancy_grid_pub.publish(occupancy_grid);
ros::spinOnce();
loop_rate.sleep();
}

return 0;
}


这个示例将发布一个简单的二进制地图,由沿着地图的对角线的单元格组成。在实际应用中,你可能需要使用更复杂的算法和数据结构,来生成和处理地图数据。

在使用 nav_msgs 中的这些消息时,你还可以使用 ROS 工具来实现机器人的导航和避障功能。例如,你可以使用 gmapping 包来构建机器人的全局地图,该包提供了一种基于激光扫描和运动信息的实时 SLAM 算法。以下是一个启动 gmapping 的简单示例:

在终端中执行以下命令,启动 gmapping:

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$ roslaunch turtlebot3_slam turtlebot3_gmapping.launch


这将启动 gmapping 节点和相关的 ROS 话题和服务,以及 RViz 窗口。

在 gmapping 启动后,你需要使用机器人激光扫描仪来获取地图数据,然后 gmapping 将基于机器人的运动信息,实时构建全局地图并更新机器人的位姿。在此过程中,你可以使用 rostopic工具来查看和调试机器人的地图状态和命令。例如,你可以在终端中执行以下命令,订阅 /map 话题,以查看机器人的地图数据:

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$ rostopic echo /map

总之,在本回答中,我们介绍了 nav_msgs 中的 nav_msgs::OccupancyGrid 消息类型,并提供了一个 C++ 示例,帮助你了解如何使用该消息。在实际机器人应用中,你可能需要使用多种消息类型和工具,来实现机器人的导航、控制和感知功能。

nav_msgs::Path

nav_msgs::Path 消息表示一个由一系列路径点组成的路径,用于机器人的路径规划和控制。该消息通常由路径规划器或控制器生成,并由机器人控制程序使用。下面是一个创建和发布 nav_msgs::Path 的简单示例:

在 C++ 代码中添加以下内容:

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#include <ros/ros.h>
#include <nav_msgs/Path.h>
#include <geometry_msgs/PoseStamped.h>

int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "path_publisher");
ros::NodeHandle nh;
ros::Publisher path_pub = nh.advertise<nav_msgs::Path>("path", 10);

ros::Rate loop_rate(1); // 1 Hz

nav_msgs::Path path;
path.header.stamp = ros::Time::now();
path.header.frame_id = "map";

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
geometry_msgs::PoseStamped pose;
pose.header.stamp = ros::Time::now();
pose.header.frame_id = "map";
pose.pose.position.x = i;
pose.pose.position.y = i;
pose.pose.position.z = 0.0;
pose.pose.orientation.w = 1.0;
path.poses.push_back(pose);
}

while (ros::ok())
{
path_pub.publish(path);
ros::spinOnce();
loop_rate.sleep();
}

return 0;
}

这个示例将发布一个简单的路径,由沿着地图的对角线的路径点组成。在实际应用中,你可能需要使用更复杂的路径规划算法和机器人控制程序,来生成和处理路径数据。

在使用 nav_msgs 中的这些消息时,你还可以使用 ROS 工具来实现机器人的路径规划和控制功能。例如,你可以使用 move_base 包来实现机器人的全局路径规划和局部避障功能,该包提供了一种基于代价地图和全局规划器的路径规划方式。以下是一个启动 move_base 的简单示例:

在终端中执行以下命令,启动 move_base:

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$ roslaunch turtlebot3_navigation turtlebot3_navigation.launch map_file:=/path/to/map.yaml

这将启动 move_base 节点和相关的 ROS 话题和服务,以及 RViz 窗口。

在 move_base 启动后,你需要在 RViz 中设置机器人的起始位置和目标位置,然后 move_base 将基于全局地图和局部传感器数据,规划路径并执行导航任务。在此过程中,你可以使用 rostopic 工具来查看和调试机器人的导航状态和命令。例如,你可以在终端中执行以下命令,订阅 /move_base/status 话题,以查看机器人的导航状态:

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$ rostopic echo /move_base/status

sensor_msgs::PointCloud

sensor_msgs::PointCloud 消息表示一个点云数据,通常由机器人的 3D 激光扫描仪或深度摄像头获取。该消息通常用于机器人的建图、SLAM 和感知。下面是一个创建和发布 sensor_msgs::PointCloud 的简单示例:

在 C++ 代码中添加以下内容:

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#include <ros/ros.h>
#include <sensor_msgs/PointCloud.h>
#include <geometry_msgs/Point32.h>

int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "point_cloud_publisher");
ros::NodeHandle nh;
ros::Publisher point_cloud_pub = nh.advertise<sensor_msgs::PointCloud>("point_cloud", 10);

ros::Rate loop_rate(1); // 1 Hz

sensor_msgs::PointCloud point_cloud;
point_cloud.header.stamp = ros::Time::now();
point_cloud.header.frame_id = "laser";

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
geometry_msgs::Point32 point;
point.x = i;
point.y = i;
point.z = 0.0;
point_cloud.points.push_back(point);
}

while (ros::ok())
{
point_cloud_pub.publish(point_cloud);
ros::spinOnce();
loop_rate.sleep();
}

return 0;
}


这个示例将发布一个简单的点云数据,由沿着地图的对角线的点组成。在实际应用中,你可能需要使用更复杂的算法和数据结构,来生成和处理点云数据。

在使用 sensor_msgs 中的这些消息时,你还可以使用 ROS 工具来实现机器人的建图、SLAM 和感知功能。例如,你可以使用 cartographer 包来构建机器人的 2D/3D 地图,该包提供了一种基于激光扫描和 IMU 数据的实时 SLAM 算法。以下是一个启动 cartographer 的简单示例:

在终端中执行以下命令,启动 cartographer:

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$ roslaunch turtlebot3_cartographer turtlebot3_cartographer.launch


这将启动 cartographer 节点和相关的 ROS 话题和服务,以及 RViz 窗口。

在 cartographer 启动后,你需要使用机器人的激光扫描仪和 IMU 数据来获取点云和姿态信息,然后 cartographer 将基于机器人的运动信息,实时构建全局地图并更新机器人的位姿。在此过程中,你可以使用 rostopic 工具来查看和调试机器人的地图状态和命令。例如,你可以在终端中执行以下命令,订阅 /map 话题,以查看机器人的地图数据:

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$ rostopic echo /map


介绍ROS中的nav_msgs
https://qiangsun89.github.io/2023/04/25/介绍ROS中的nav-msgs/
作者
Qiang Sun
发布于
2023年4月25日
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