利用ROS与XTDrone仿真平台采集数据用于SLAM

Nov 23,2022   4292 words   16 min

Tags: SLAM

0. 背景

本篇博客主要记录利用XTDrone平台采集数据,用于SLAM等应用的具体步骤,方便查阅与参考。关于XTDrone的安装,可以参考官方文档进行配置安装,如果遇到问题,多搜索一般可以找到解决办法。首先介绍我的电脑的软件环境:

  • 系统: Ubuntu 18.04
  • ROS: ROS Melodic
  • XTDrone安装路径: /root/Softwares/XTDrone
  • XTDrone Workspace: /root/Softwares/xtdrone_ws
  • PX4安装路径: /root/Softwares/PX4_Firmware
  • .bashrc文件中的相关路径:
    # for XTDrone & PX4
    source /root/Softwares/xtdrone_ws/devel/setup.bash
    source /root/Softwares/PX4_Firmware/Tools/setup_gazebo.bash /root/Softwares/PX4_Firmware/ /root/Softwares/PX4_Firmware/build/px4_sitl_default
    export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:/root/Softwares/PX4_Firmware/
    export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:/root/Softwares/PX4_Firmware/Tools/sitl_gazebo
    

了解了基本环境之后,下面就进入数据采集阶段。需要说明的是,如果只是想快速跑起来仿真环境采集数据,可以不用看解释部分,直接复制命令执行即可,所有命令均亲测可用。

1. 运行仿真环境

打开一个终端,输入如下命令,启动Gazebo仿真环境:

roslaunch px4 indoor1.launch

解释:这一行命令的作用是启动XTDrone的仿真环境,后面的xxx.launch文件对应了不同的世界模型和传感器模型,比如indoor1.launch文件的内容如下。 我们可以清楚地看到他指定了哪些世界模型、载荷平台、传感器等。如果需要修改,我们只需要顺藤摸瓜地找到对应文件修改即可。 这些默认的.launch文件都放在了PX4安装路径下面的launch文件夹,比如我的路径是/root/Softwares/PX4_Firmware/launch。可能遇到的错误是说找不到px4节点或者.launch文件,这个时候需要检查.bashrc文件里是否把对应的路径添加好了。

结果:执行完上面的命令后,你就应该会启动XTDrone界面了,如下所示。

2. 开启通讯节点

打开一个新终端(快捷键Ctrl+Alt+T),输入如下命令(注意,需要把第一个命令中的XTDrone路径换成你自己的),启动通讯节点:

cd ~/Softwares/XTDrone/communication
python multirotor_communication.py iris 0

解释:利用XTDrone提供的脚本,实现与传感器平台的通讯。iris是平台名称,0表示索引。可能遇到的错误是Python版本问题(在装了Anaconda的系统上容易出现)。如果是这样的话,记得在.bashrc中把Anaconda相关的路径注释掉,基本应该就可以了。

结果:执行完上面的命令后,你应该就会看到“iris_0: communication initialized”的提示,如下所示。

3. 启动位姿转发节点

再打开一个新终端(快捷键Ctrl+Alt+T),输入如下命令(注意,需要把第一个命令中的XTDrone路径换成你自己的),启动位姿转发节点:

cd ~/Softwares/XTDrone/sensing/pose_ground_truth
python get_local_pose.py iris 1

解释:作为为SLAM服务的数据采集,自然希望可以提供位姿真值。默认情况下XTDrone并不会自动发布位姿真值,需要我们输入上面的命令手动发布。这里的1表示1架无人机。默认发布的Topic名称为/iris_0/mavros/vision_pose/pose。可能的错误和第二步类似,参考上面的办法解决。更详细介绍可以参考官方文档

结果:执行完上面的命令后,你应该就会看到“Get iris_0 groundtruth pose”的提示,如下所示。

4. 启动可视化影像节点

再打开一个新终端(快捷键Ctrl+Alt+T),输入如下命令,用于实时可视化相机数据:

rqt_image_view /iris_0/stereo_camera/left/image_raw

解释:虽然我们在飞无人机的时候可以在Gazebo里看到无人机的状态,但显然我们更关心采集到的影像数据的状态,所以我们可以利用RQT工具,实施可视化出采集的影像,方便进行调整。这里,iris无人机本身自带了一个双目相机,分别发布左右影像的Topic,为/iris_0/stereo_camera/left/image_raw/iris_0/stereo_camera/right/image_raw。这里我们订阅左影像的数据就够了。可能的错误是Topic名称不对。如果是这样的话,检查前面提到的各种配置文件,看是否自定义了Topic名称。以默认的indoor1.launch为例,如下。 可以看到,在第36行,又包含了一个叫做iris_stereo_camera的模型,我们就去找这个文件。这个文件默认是放在PX4安装路径下面的Tools/sitl_gazebo/models中。比如我的电脑上就是/root/Softwares/PX4_Firmware/Tools/sitl_gazebo/models。不出意外你可以在这个文件夹下找到一个叫做iris_stereo_camera的文件夹,如下。 打开,就可以看到iris_stereo_camera.sdf文件了,如下。 我们进一步打开这个文件,如下。 在这个模型文件中,重点描述了各个部件的组成和相对位置关系等等。而跟我们相关的主要是两个:双目相机和IMU。可以看到,像是套娃一样,双目相机和IMU又分别引用的stereo_cameraimu_gazebo模型。再一次,我们在PX4安装路径下面的Tools/sitl_gazebo/models文件夹中寻找。可以找到stereo_camera文件夹,如下。 打开文件夹中的stereo_camera.sdf,就可以揭开“庐山真面目”了,如下。 可以看到,在一个名叫stereo_camerasensor节点下面,有两个camera节点,分别叫做leftright。不仅如此,这里还定义了相机的详细信息,比如FOV、影像长宽、色彩格式等。而在plugin节点下面有个imageTopicName节点,它的值为image_raw。至此,我们也就明白了完整的影像Topic的构成。不仅如此,还知道了相机的相关参数是在哪里设置的,自然也就知道如何修改了。而双目相机的外参,同样可以通过.sdf文件获取到(camera节点下面有pose属性)。类似的,对于IMU也是同理。我们可以打开imu_gazebo.sdf文件,如下。 可以看到,在这里定义了IMU的全部参数,包括帧率、噪声等等,如果需要,可以对应修改。

结果:执行完上面的命令后,你应该就会看到可视化的相机影像,如下所示。

5. 开启控制脚本

再打开一个新终端(快捷键Ctrl+Alt+T),输入如下命令(注意,需要把第一个命令中的XTDrone路径换成你自己的),用于实时控制无人机:

cd ~/Softwares/XTDrone/control/keyboard
python multirotor_keyboard_control.py iris 1 vel

解释:通过键盘来控制无人机的起飞、降落等。推荐起飞流程: 按i把向上速度加到0.3以上,再按boffboard模式,最后按t解锁。基本的关于控制无人机的按键包括:w-前进、x-后退、i-上升、,-下降、j-左转、l-右转。 更多信息,可以参考官方文档。可能遇见的错误有上面提到的Python版本问题。还有就是用键盘控制无人机需要多加练习才能得心应手,不然比较难控制。当然了,要按照上面提到的起飞流程才能把飞机飞起来,不然飞机是不会动的(没有解锁)。

结果:执行完上面的命令后,你应该就会看到相关提示,在终端中按照提示就可以控制无人机了,如下所示。

6. 录制ROS Bag数据包

再打开一个新终端(快捷键Ctrl+Alt+T),输入如下命令,用于录制想要的Topic:

rosbag record /iris_0/stereo_camera/left/image_raw /iris_0/stereo_camera/right/image_raw /iris_0/imu_gazebo /iris_0/mavros/vision_pose/pose

解释:经过上面的步骤,无人机已经在飞行了,我们就可以录制数据了。以SLAM为例,我们可以录制左右两个双目影像以及一个IMU的观测,当然还有位姿真值,这些都在前面介绍过了。录制完以后,按Ctrl+C结束录制。默认情况下,录制的Bag文件以日期命名,存放在当前终端目录下。根据经验,强烈推荐做法:先录一小段试试看效果,确认没有问题以后,再正式开始录制。之前就遇到过采集了半天数据回来发现没录上,一检查发现是Topic名称打错了个字母(血的教训)。

结果:录制完成以后,就可以看到ROS Bag文件了,可以利用rosbag info工具查看信息,如下。

至此,我们便完成了利用XTDrone采集数据并保存的任务,拿着录制好的ROS Bag包就可以跑SLAM了。当然,后续还有一些其它零碎的操作,比如把ROS Bag包中的真值位姿提取出来,方便利用EVO进行评价、抽取ROS Bag中的影像帧等等,这些操作可以见之前的这篇博客和这个Github项目(不定期更新好用的脚本),就不在这里赘述了。

7. 参考资料

  • [1] https://www.yuque.com/xtdrone/manual_cn/basic_config
  • [2] https://www.yuque.com/xtdrone/manual_cn/pose_groundtruth

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