ROS2从入门到精通4-6：路径平滑插件开发案例(以B样条曲线平滑为例)

0 专栏介绍

本专栏旨在通过对ROS2的系统学习，掌握ROS2底层基本分布式原理，并具有机器人建模和应用ROS2进行实际项目的开发和调试的工程能力。

🚀详情：《ROS2从入门到精通》

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1 ROS2路径平滑器介绍

路径平滑器(smoother)是Nav2中的一个任务服务器，它实现了nav2_behavior_tree::SmoothPath接口，主要负责改善路径的平滑度或质量，Nav2中默认的平滑器包括

名称	作者	介绍
Simple Smoother	Steve Macenski	为不可行的2D规划器提供更平滑的简单路径
Constrained Smoother	Matej Vargovcik与Steve Macenski	使用约束问题求解器优化各种标准（如平滑度或与障碍物的距离）的路径平滑器，保持最小转弯半径
Savitzky-Golay Smoother	Steve Macenski	使用Savitzky-Golay滤波器通过数字信号处理平滑路径，以去除路径中的噪声。

本文介绍路径平滑器插件的编写范式，并提供一个全新的基于B样条曲线平滑的插件

2 平滑器插件编写模板

2.1 构造平滑器插件类

所有路径平滑插件的基类是nav2_core::Smoother，该基类提供了7个纯虚方法来实现控制器插件，一个合法的平滑器插件必须覆盖这7个基本方法：

• configure()：在平滑器服务器进入on_configure状态时会调用此方法，此方法执行ROS2参数声明和平滑器成员变量的初始化；
• activate()：在平滑器服务器进入on_activate状态时会调用此方法，此方法实现平滑器进入活动状态前的必要操作；
• deactivate()：在平滑器服务器进入on_deactivate状态时会调用此方法，此方法实现平滑器进入非活动状态前的必要操作；
• cleanup()：在平滑器服务器进入on_cleanup状态时会调用此方法，此方法清理为平滑器创建的各种资源；
• smooth()：接受一个原始路径，并提供具体的平滑实现

按照上述标准，本文案例中B样条平滑器的基本成员函数和变量如下所示

namespace nav2_smoother
{class BSplineSmoother : public nav2_core::Smoother{public:/*** @brief A constructor for nav2_smoother::BSplineSmoother*/BSplineSmoother() = default;/*** @brief A destructor for nav2_smoother::BSplineSmoother*/~BSplineSmoother() override = default;void configure(const rclcpp_lifecycle::LifecycleNode::WeakPtr &,std::string name, std::shared_ptr<tf2_ros::Buffer>,std::shared_ptr<nav2_costmap_2d::CostmapSubscriber>,std::shared_ptr<nav2_costmap_2d::FootprintSubscriber>) override;void cleanup() override { costmap_sub_.reset(); }void activate() override { RCLCPP_WARN(logger_, "Using: B-spline smoother"); }void deactivate() override {}/*** @brief Method to smooth given path** @param path In-out path to be smoothed* @param max_time Maximum duration smoothing should take* @return If smoothing was completed (true) or interrupted by time limit (false)*/bool smooth(nav_msgs::msg::Path &path,const rclcpp::Duration &max_time) override;std::shared_ptr<trajectory_generation::BSpline> bspline_gen_;std::shared_ptr<nav2_costmap_2d::CostmapSubscriber> costmap_sub_;rclcpp::Logger logger_{rclcpp::get_logger("BSplineSmoother")};};
} 

2.2 注册并导出插件

在创建了自定义平滑器的前提下，需要导出该平滑器插件以便平滑器服务器可以在运行时正确地加载。在ROS2中，插件的导出和加载由pluginlib处理。

• 源文件配置导出宏

  #include "pluginlib/class_list_macros.hpp"
  PLUGINLIB_EXPORT_CLASS(nav2_smoother::BSplineSmoother, nav2_core::Smoother)
  

• 配置插件描述文件xxx_smoother.xml，例如本案例为bspline_smoother.xml文件。此XML文件包含以下信息：

  • library path：插件库名称及其位置；
  • class name：平滑算法类的名称；
  • class type：平滑算法类的类型；
  • base class：平滑基类的名称，统一为nav2_core::Smoother
  • description：插件的描述。

  实例如下

  <class_libraries><library path="bspline_smoother"><class type="nav2_smoother::BSplineSmoother" name="bspline_smoother/BSplineSmoother" base_class_type="nav2_core::Smoother"><description>B-Spline smoother</description></class></library>
  </class_libraries>
  

• 配置CMakeLists.txt文件
  使用cmake函数pluginlib_export_plugin_description_file()来导出插件。这个函数会将插件描述文件安装到install/share目录中，并设置ament索引以使其可被发现，实例如下

  pluginlib_export_plugin_description_file(nav2_core bspline_smoother.xml)
  

• 配置package.xml描述文件，实例如下：

  <export><build_type>ament_cmake</build_type><nav2_core plugin="${prefix}/bspline_smoother.xml" />
  </export>
  

2.3 编译与使用插件

编译该插件软件包，接着通过配置文件使用插件。

参数的传递链如下：首先在simulation.launch.py中引用配置文件navigation.yaml

declare_params_file_cmd = DeclareLaunchArgument('params_file',default_value=os.path.join(simulation_dir, 'config', 'navigation.yaml'),description='Full path to the ROS2 parameters file to use for all launched nodes')

接着在navigation.yaml中修改插件配置，默认如下，用的是SimpleSmoother插件：

smoother_server:ros__parameters:use_sim_time: Truesmoother_plugins: ["simple_smoother"]simple_smoother:plugin: "nav2_smoother::SimpleSmoother"tolerance: 1.0e-10max_its: 1000do_refinement: True

将上述替换为自己的插件，本案例为：

smoother_server:ros__parameters:use_sim_time: Truesmoother_plugins: ["simple_smoother"]simple_smoother:plugin: "bspline_smoother/BSplineSmoother"

接着运行即可看到平滑算法被替换

3 基于B样条曲线的路径平滑

B样条曲线是一种用于表示和描绘曲线的数学工具，它在计算机图形学、计算机辅助设计、计算机动画和数值分析等领域得到广泛应用。其名称中的B代表了基本(basis)，而样条则是在各个领域中广泛应用的一种绘制曲线的技术，例如计算机图形学、物理学模拟、金融和经济分析等。在计算机图形学中，样条通常用于创建平滑的曲线和曲面，以便在三维场景中呈现出更真实的效果。在物理学模拟中，样条可用于描述物体的运动轨迹和变形过程。

具体算法原理请参考：

• 曲线生成 | 图解B样条曲线生成原理(基本概念与节点生成算法)
• 曲线生成 | 图解B样条曲线生成原理(附ROS C++/Python/Matlab仿真)

平滑器的效果如下所示，其中红色是原始A*算法的规划路径，绿色是B样条曲线平滑后的路径

完整代码通过下方博主名片联系获取

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