ROS 教程之 navigation ：在 catkin 环境下创建costmap layer plugin

在做机器人导航的时候，肯定见到过global_costmap和local_costmap。global_costmap是为了全局路径规划服务的，如从这个房间到那个房间该怎么走。local_costmap是为局部路径规划服务的，如机器人局部有没有遇到行人之类的障碍。costmap就是栅格图，每个栅格里存放着障碍物信息。但是hydro里的costmap不是单独一个栅格图，而是将一个栅格图分成了很多层，如最底下是静态地图，即墙壁，桌子等建地图时已经存在的障碍物；第二层是障碍物层；第三层是膨胀层，可以理解为把障碍物膨胀了一圈，最上面就是把前面各层的cost叠加起来形成最后的栅格图mast_grid，关于这种costmap的简介见wiki介绍。这些分层的cost layer 是怎么叠加起来，他们是如何工作的？有何优点？可以参见costmap layer 的发明人David V.Lu的IROS会议论文，关于costmap_2d package的细节主要来自这个ros answer。

那么我们自己能用costmap layer 来干什么呢？首先来看一个问题，假设你想让你的机器人不能去厨房或者其他一些地方，可能你会想在全局地图中的这些地方人为的放置一些假障碍，那机器人就去不了了。可假障碍如何放到机器人已经生成的costmap里？有人用假激光或者假的点云数据来制造假障碍，但是，很麻烦。如果你能创建一个专门存放这些假障碍的costmap ，然后把这个costmap作为插件(plugin)放到ROS自带的地图里去，这个问题就解决了。

ROS的官网wiki里有教你怎么新建costmap layer以及怎么插入到global_costmap 或者local_costmap里去，官方的tutorials请点击这里，教程里的例子是在你机器人前方1m处防止一个障碍点。可惜教程是建立在rosbulid编译环境下的，对于一路都是使用catkin的新手来说，怎么使得rosbuild 和catkin两个work space合起来工作，都成问题。所以，这里就教你如何在catkin环境下创建layer。

本文分为两部分：

1、如何在catkin 工作空间中创建New layer 插件

2、如何在程序中调用新创建的New layer

一、创建 layer 插件

在这部分，将创建一个simpler layer，这个layer的作用是在机器人前方1m处放置一个障碍物。

1.首先像创建beginner_tutorials package一样，在catkin工作空间下创建simple_layers package。在终端中输入：

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg simple_layers roscpp costmap_2d dynamic_reconfigure std_msgs rospy

其中：catkin_ws/src 对应你自己的catkin工作空间。

2.创建layer 所需的头文件。

在创建好的simple_layers/include/simple_layers/ 文件夹下创建空白文档，命名为simple_layer.h，将下列程序复制进去并保存。

#ifndef SIMPLE_LAYER_H_
#define SIMPLE_LAYER_H_
#include <ros/ros.h>
#include <costmap_2d/layer.h>
#include <costmap_2d/layered_costmap.h>
#include <costmap_2d/GenericPluginConfig.h>
#include <dynamic_reconfigure/server.h>

namespace simple_layer_namespace
{

class SimpleLayer : public costmap_2d::Layer
{
public:
  SimpleLayer();

  virtual void onInitialize();
  virtual void updateBounds(double origin_x, double origin_y, double origin_yaw, double* min_x, double* min_y, double* max_x,
                             double* max_y);
  virtual void updateCosts(costmap_2d::Costmap2D& master_grid, int min_i, int min_j, int max_i, int max_j);

private:
  void reconfigureCB(costmap_2d::GenericPluginConfig &config, uint32_t level);

  double mark_x_, mark_y_;
  dynamic_reconfigure::Server<costmap_2d::GenericPluginConfig> *dsrv_;
};
}
#endif

新建了一个SimpleLayer类，基类是costmap_2d::Layer，可以点击这里查看costmap_2d类。上面头文件里有两个主要的函数updateBounds 和 updateCosts。这个函数对应前面提到的论文中的更新costmap区域和更新costmap的值。updateBounds的参数origin_x,origin_y,origin_yaw是机器人的当前位姿，不需要我们人为的去设定，ROS会自动传递这几个参数。
3.创建c++文件，在simpler_layers/src文件夹下创建空白文档，命名为simple_layer.cpp，输入下面程序，并保存。

#include<simple_layers/simple_layer.h>
#include <pluginlib/class_list_macros.h>

PLUGINLIB_EXPORT_CLASS(simple_layer_namespace::SimpleLayer, costmap_2d::Layer)

using costmap_2d::LETHAL_OBSTACLE;

namespace simple_layer_namespace
{

SimpleLayer::SimpleLayer() {}

void SimpleLayer::onInitialize()
{
  ros::NodeHandle nh("~/" + name_);
  current_ = true;

  dsrv_ = new dynamic_reconfigure::Server<costmap_2d::GenericPluginConfig>(nh);
  dynamic_reconfigure::Server<costmap_2d::GenericPluginConfig>::CallbackType cb = boost::bind(
      &SimpleLayer::reconfigureCB, this, _1, _2);
  dsrv_->setCallback(cb);
}


void SimpleLayer::reconfigureCB(costmap_2d::GenericPluginConfig &config, uint32_t level)
{
  enabled_ = config.enabled;
}

void SimpleLayer::updateBounds(double origin_x, double origin_y, double origin_yaw, double* min_x,
                                           double* min_y, double* max_x, double* max_y)
{
  if (!enabled_)
    return;

  mark_x_ = origin_x + cos(origin_yaw);
  mark_y_ = origin_y + sin(origin_yaw);

  *min_x = std::min(*min_x, mark_x_);
  *min_y = std::min(*min_y, mark_y_);
  *max_x = std::max(*max_x, mark_x_);
  *max_y = std::max(*max_y, mark_y_);
}

void SimpleLayer::updateCosts(costmap_2d::Costmap2D& master_grid, int min_i, int min_j, int max_i,
                                          int max_j)
{
  if (!enabled_)
    return;
  unsigned int mx;
  unsigned int my;
  if(master_grid.worldToMap(mark_x_, mark_y_, mx, my)){
    master_grid.setCost(mx, my, LETHAL_OBSTACLE);
  }
}

} // end namespace

这个程序的主要思路是，更新updateBounds中的mark_x_和mark_y_，这两个变量是用来存放障碍点位置的，他们是在世界坐标系定义的变量。然后在updateCosts里将这两个变量从世界坐标转换到地图坐标系，并在地图坐标系中设定障碍点，即在栅格地图master_grid设定这个点的cost。
以上部分都和官方教程中没什么差别，下面开始是如何在ros中注册这个插件的关键步奏了，这部分可以参看wiki pluginlib的说明，也可以看看navigation里如何写自己的全局路径规划插件教程。如果，没有过写插件的基础，先照着Lz下面的教程执行一遍，再回过头去看上面的两个教程。

4.修改simpler_layers package下的Cmakerlists.txt文件。

添加：

add_library(simple_layer src/simple_layer.cpp)

然后修改在include_directories(...)中添加include，修改后如下：

include_directories(include ${catkin_INCLUDE_DIRS})

添加include的目的是，为了在编译这个package的时候，能够找到之前你存放在simple_layers/include/simple_layers这个文件下的头文件，没有这个步奏，编译将出错。

5.创建一个空白的costmap_plugins.xml文件，输入一下内容，将其存放在/catkin_ws/src/simpler_layers 文件夹下，也就是和Cmakelists.txt以及package.xml存放在同一路径下：

<library path="lib/libsimple_layer">
  <class type="simple_layer_namespace::SimpleLayer" base_class_type="costmap_2d::Layer">
    <description>Demo Layer that adds a point 1 meter in front of the robot</description>
  </class>
</library>

这个文件是插件的描述文件，它的目的是让ROS系统发现这个插件和load这个插件到系统里去。

6.修改package.xml，将下面语句

<costmap_2d plugin="${prefix}/costmap_plugins.xml" />

放入package.xml中两个<export>之间。效果如图：

<export>
    <costmap_2d plugin="${prefix}/costmap_plugins.xml" />
  </export>

这一步的目的是注册这个插件，说白了就是告诉pluginlib，这个插件可用。

上面步奏完成以后，就是编译了。

cd ~/catkin_ws
catkin_make

编译完成以后，可以查看ROS系统里是否已经有了这个layer 插件。在终端中输入：

rospack plugins --attrib=plugin costmap_2d

应该会得到LZ这样的结果：

说明simple_layer 已经是一个可供ROS用的插件了。

二、如何在move_base中使用这个costmap layer插件

上面已经创建好了layer插件，并不意味着ROS就会使用它，我们得显式的global_costmap 或者 local_costmap中声明它。当然首先可以看看wiki 配置layer costmap的教程。看不懂没关系，至少心里先有个大概印象。

在调用自己写的这个layer之前，先看看系统默认的global_costmap 和local_costmap使用了哪些layer。假设你已经安装了《ROS by example 1》中的rbx1 package。

roslaunch rbx1_bringup fake_turtlebot.launch

在新的终端中输入：

roslaunch rbx1_nav fake_move_base_blank_map.launch

你将看到如下图所示的一些信息：

你会看到pre-hydro 字样。说明当前的costmap是默认的配置，也就是static_layer,obstacle_layer,inflation_layer这三层。

下面我们来把创建的simple_layer，放入全局global_costmap中。要想使得ROS接受你的插件，要在参数中用plugins指明，也就是主要修改move_base中涉及到costmap的yaml文件，下面给出我的修改：

1.costmap_common_params.yaml

obstacle_range: 2.5
raytrace_range: 3.0
robot_radius: 0.49
inflation_radius: 0.1
max_obstacle_height: 0.6
min_obstacle_height: 0.0
obstacles:
   observation_sources: scan
   scan: {data_type: LaserScan, topic: /scan, marking: true, clearing: true, expected_update_rate: 0}

一定要注意，这里添加了一个obstales，说明障碍物层的数据来源scan，"obstacles："的作用是强调命名空间。

2.global_costmap_params.yaml

global_costmap:
   global_frame: /map
   robot_base_frame: /base_footprint
   update_frequency: 1.0
   publish_frequency: 0
   static_map: true
   rolling_window: false
   resolution: 0.01
   transform_tolerance: 1.0
   map_type: costmap
   plugins:
      - {name: static_map,       type: "costmap_2d::StaticLayer"}
      - {name: obstacles,        type: "costmap_2d::VoxelLayer"}
      - {name: simplelayer,        type: "simple_layer_namespace::SimpleLayer"}     
      - {name: inflation_layer,        type: "costmap_2d::InflationLayer"}

3.local_costmap_params.yaml

local_costmap:
   global_frame: /map
   robot_base_frame: /base_footprint
   update_frequency: 3.0
   publish_frequency: 1.0
   static_map: false
   rolling_window: true
   width: 6.0
   height: 6.0
   resolution: 0.01
   transform_tolerance: 1.0
   map_type: costmap

另外一个与路径规划相关的base_local_planner_params,yaml不用修改。

这里由于只在全局层添加simple_layer，所以local_costmap还是使用的默认layer插件。然后我们运行这个新配置的move_base launch文件，你会发现simplerlayer已经添加进global_costmap了，而local_costmap还是默认的pre-hydro格式。