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。

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

cpp 复制代码

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

cpp 复制代码

#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
xml 复制代码
```
<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
c 复制代码
```
pluginlib_export_plugin_description_file(nav2_core bspline_smoother.xml)
```

配置package.xml描述文件，实例如下：

xml 复制代码

<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

python 复制代码

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：

yaml 复制代码

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

将上述替换为自己的插件，本案例为：

yaml 复制代码

smoother_server:
  ros__parameters:
    use_sim_time: True
    smoother_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：

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

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