ROS2でcartographerを使う手順(1) SLAMからPure Localizationまで

概要

ROS2でcartographerを動かす記事はいくつかあったがLocalizationまでやっていた記事はなかったので、マップ作成から自己位置推定に使用するまでの手順をまとめる。
基本的には使い方はROS1の場合と全く同じ。
動作確認にはTurtlebot3のGazeboシミュレーションを使用した。

動作確認環境

OS : ubuntu22.04LTS
ROS : ROS2 Humble

インストール

sudo apt install ros-humble-cartographer 

foxyの場合

sudo apt install ros-foxy-cartographer 

rviz2 プラグインのインストール（必要な場合）

sudo apt install ros-humble-cartographer-rviz

動作確認

ROS1 ではbackpack_2dデモ用のrosbagファイルがダウンロードできて、これを実行することで動作確認できていたがROS2のrosbag2版は存在しない。

以下の記事にbackpack 2dのrosbagファイル.bagをROS2のrosbagに変換してデモ実行する内容を書いたので、興味のある方は試してみてください。

Turtlebot3 Gazebo環境のインストール

Turtlebot3 ROS2 パッケージのインストール

あとでファイルを編集するのでaptからではなくワークスペースにダウンロードしてcolcon buildする。
foxyの場合はhumbleをfoxyに変える。（foxyでは動作未確認）

mkdir -p ~/ros2_ws/src && cd ~/ros2_ws/src/
git clone -b humble-devel https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3.git
cd ~/ros2_ws/
source /opt/ros/humble/setup.bash
rosdep update
rosdep install --from-paths src --ignore-src --rosdistro $ROS_DISTRO -y
colcon build --symlink-install

Turtlebot3 Gazeboパッケージのインストール

cd ~/ros2_ws/src/
git clone -b humble-devel https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_simulations.git
cd ~/ros2_ws && colcon build --symlink-install

こちらは変更しないのでaptから入れてもよい

sudo apt install ros-humble-turtlebot3-simulations

Navigation2のインストール

この記事内ではmapの保存のためにmap_serverのみ使用する

sudo apt install ros-humble-navigation2
sudo apt install ros-humble-nav2-bringup

マップ作成とマップの保存

マップ作成からmap_saverでマップ保存までは以下のTurtlebot3 emanual Foxyのページの通り。ここではコマンドのみ記載。

turtlebot3のGazeboを起動

source ~/ros2_ws/install/setup.bash
export TURTLEBOT3_MODEL=burger
ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch.py

cartographerノード実行

source ~/ros2_ws/install/setup.bash
ros2 launch turtlebot3_cartographer cartographer.launch.py use_sim_time:=True

teleop_twist_keyboardなどで適当にロボットを動かして地図を作成する

ros2 run teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard

マップの保存

ros2 run nav2_map_server map_saver_cli -f ~/map

実行したディレクトリにmap.pgmとmap.yamlがあればOK

pbstreamファイルの保存

write_stateのServiceをCallしてpbstreamファイルを保存
filename に保存したいパスとファイル名を書く。
後述するNav2の自己位置推定にamclを用いる場合はこの手順は不要。

ros2 service call /write_state cartographer_ros_msgs/srv/WriteState "{filename: '/home/porizou/map.pbstream'}"

pure localization　（自己位置推定）

cartographer は事前に作成したpbstreamファイルを読み込んで純粋な自己位置推定をすることができる。
(Simultaneous Localization and MappingのLocalizationのみ実行しているイメージ)

詳細は公式ドキュメントを参照。

launchファイルとluaファイルの作成

localization用にros2_ws/src/turtlebot3/turtlebot3_cartographer/configに新しく設定ファイルを作成

turtlebot3_lds_2d_localization.lua

include "turtlebot3_lds_2d.lua"

TRAJECTORY_BUILDER.pure_localization_trimmer = {
  max_submaps_to_keep = 3,
}
POSE_GRAPH.optimize_every_n_nodes = 20

return options

上の設定ファイルとpbstreamファイルを読み込むためcartographer.launch.pyを元にして新しくlaunchファイルを作成。

cartographer_localization.launch.py

import os
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
from launch import LaunchDescription
from launch.actions import DeclareLaunchArgument
from launch_ros.actions import Node
from launch.substitutions import LaunchConfiguration
from launch.actions import IncludeLaunchDescription
from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource
from launch.substitutions import ThisLaunchFileDir


def generate_launch_description():
    use_sim_time = LaunchConfiguration('use_sim_time', default='false')
    turtlebot3_cartographer_prefix = get_package_share_directory('turtlebot3_cartographer')
    cartographer_config_dir = LaunchConfiguration('cartographer_config_dir', default=os.path.join(
                                                  turtlebot3_cartographer_prefix, 'config'))
    configuration_basename = LaunchConfiguration('configuration_basename',
                                                 default='turtlebot3_lds_2d_localization.lua')

    resolution = LaunchConfiguration('resolution', default='0.05')
    publish_period_sec = LaunchConfiguration('publish_period_sec', default='1.0')

    rviz_config_dir = os.path.join(get_package_share_directory('turtlebot3_cartographer'),
                                   'rviz', 'tb3_cartographer.rviz')
    pbstream_path = "/home/porizou/map.pbstream"
    return LaunchDescription([
        DeclareLaunchArgument(
            'cartographer_config_dir',
            default_value=cartographer_config_dir,
            description='Full path to config file to load'),
        DeclareLaunchArgument(
            'configuration_basename',
            default_value=configuration_basename,
            description='Name of lua file for cartographer'),
        DeclareLaunchArgument(
            'use_sim_time',
            default_value='false',
            description='Use simulation (Gazebo) clock if true'),

        Node(
            package='cartographer_ros',
            executable='cartographer_node',
            name='cartographer_node',
            output='screen',
            parameters=[{'use_sim_time': use_sim_time}],
            arguments=['-configuration_directory', cartographer_config_dir,
                       '-configuration_basename', configuration_basename,
                       '-load_state_filename', pbstream_path]),
        DeclareLaunchArgument(
            'resolution',
            default_value=resolution,
            description='Resolution of a grid cell in the published occupancy grid'),

        DeclareLaunchArgument(
            'publish_period_sec',
            default_value=publish_period_sec,
            description='OccupancyGrid publishing period'),

        IncludeLaunchDescription(
            PythonLaunchDescriptionSource([ThisLaunchFileDir(), '/occupancy_grid.launch.py']),
            launch_arguments={'use_sim_time': use_sim_time, 'resolution': resolution,
                              'publish_period_sec': publish_period_sec}.items(),
        ),

        Node(
            package='rviz2',
            executable='rviz2',
            name='rviz2',
            arguments=['-d', rviz_config_dir],
            parameters=[{'use_sim_time': use_sim_time}],
            output='screen'),
    ])

実行

turtlebot3のGazeboを起動

source ~/ros2_ws/install/setup.bash
export TURTLEBOT3_MODEL=burger
ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch.py

cartographerノード実行

source ~/ros2_ws/install/setup.bash
ros2 launch turtlebot3_cartographer cartographer_localization.launch.py use_sim_time:=True

rviz2を見るとpbstreamファイルが読み込まれ、先程作成したmapが表示されていることが分かる。

次に自己位置推定の動作確認

適当にTurtlebot3を動かしてGazeboのTurtlebot3の位置とrviz2のTF (base_link)の位置を比較して大体同じ位置にあればOK

rviz2画面　（90度回転させてます）

Gazebo画面

おわりに

この記事ではROS2環境においてcartographerの動作をTurtlebot3 Gazeboシミュレーションを使って動作確認しました。
本当は2D LiDARで実機を使用してやりたかったのですが、Localizationが思った通りに動きませんでした。
実物のLiDARとロボットを持っているかたはturtlebot3_gazebo起動部分を実機に置き換えて試してみてください。

次の記事ではcartographerをamclの代わりに自己位置推定ノードとして使用してNavigation2を動かしてみます。

次の記事

参考