ROS2 机器人 少年创客营：Day 7

🏆 ROS2 机器人 少年创客营：Day 7

主题：终极挑战 ------ 智能迷宫逃生 & 结营大典

🎉 恭喜！你已抵达终点线！

回顾旅程：

• Day 1-2: 你好，海龟！(节点、话题)
• Day 3: 听我指挥！(服务)
• Day 4: 复杂任务！(动作)
• Day 5: 感知世界！(传感器数据闭环)
• Day 6: 系统工程！(Launch 文件与参数)

今日使命 ：

今天没有新的语法教学。今天是**"黑客马拉松"！你将综合运用过去 6 天学到的所有技能，解决一个真实的机器人难题："智能迷宫逃生"**。

挑战目标 ：

编写一个节点，控制海龟在充满未知障碍（或边界）的环境中，自主探索并找到出口（或存活最长时间），全程无需人工干预。

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🗺️ 今日探险地图 (Checklist)

• 🧠 算法设计：设计"避障 + 寻路"的简单逻辑。
• 🤖 代码实现 ：编写 maze_runner.py，融合订阅、发布、定时器逻辑。
• 🚀 系统集成 ：编写 escape_launch.py，一键启动仿真环境和你的 AI。
• 🎬 演示时刻：运行程序，录制视频，见证奇迹。
• 🎓 结营仪式：总结回顾，颁发电子证书。

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🧠 第一关：算法设计 (伪代码)

在写代码前，先理清思路。我们不需要复杂的 SLAM 或 A* 算法，一个简单的**"随机游走 + 遇墙转向"**策略就足以应对今天的挑战。

🤖 核心逻辑：

1. 一直向前跑：默认发送直线速度指令。
2. 感知危险 ：订阅 /turtle1/pose，检查当前位置 (x, y)。
3. 判断边界 ：Turtlesim 的地图大小是 11x11 (0 到 11)。
   • 如果 x > 10 或 x < 1 或 y > 10 或 y < 1 (接近墙壁)：
     • 停止前进。
     • 原地旋转 90 度 (或随机角度)。
     • 继续前进。
4. (进阶) 寻找出口 ：假设出口在 (10.5, 10.5)。
   • 如果距离出口 < 0.5 米 -> 任务成功，停止并庆祝！

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💻 第二关：代码实现 (maze_runner.py)

在 src/my_turtle_bot/my_turtle_bot/ 下新建 maze_runner.py。

#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from geometry_msgs.msg import Twist
from turtlesim.msg import Pose
import math
import random

class MazeRunnerNode(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('maze_runner_node')
        
        # --- 参数配置 ---
        self.declare_parameter('safe_distance', 1.0) # 离墙多远开始转向
        self.declare_parameter('turn_angle', 1.57)   # 转向角度 (弧度，1.57 ≈ 90度)
        self.declare_parameter('linear_speed', 2.0)
        self.declare_parameter('angular_speed', 1.5)
        
        self.safe_dist = self.get_parameter('safe_distance').value
        self.turn_angle = self.get_parameter('turn_angle').value
        self.lin_speed = self.get_parameter('linear_speed').value
        self.ang_speed = self.get_parameter('angular_speed').value
        
        self.pose = None
        self.state = 'MOVE' # 状态机：MOVE, TURNING
        self.turn_start_theta = 0.0
        self.target_theta = 0.0
        
        # 定义地图边界 (Turtlesim 默认 11x11)
        self.map_min = 0.5
        self.map_max = 10.5
        
        # 创建发布者和订阅者
        self.cmd_pub = self.create_publisher(Twist, 'turtle1/cmd_vel', 10)
        self.pose_sub = self.create_subscription(Pose, 'turtle1/pose', self.pose_callback, 10)
        
        # 创建定时器 (10Hz)
        self.timer = self.create_timer(0.1, self.control_loop)
        
        self.get_logger().info('🤖 迷宫逃生系统已启动！正在寻找出路...')

    def pose_callback(self, msg):
        self.pose = msg

    def control_loop(self):
        if self.pose is None:
            return

        cmd = Twist()
        
        # --- 状态机逻辑 ---
        
        if self.state == 'MOVE':
            # 1. 检查是否撞墙 (简化版：检查距离边界的距离)
            dist_left = self.pose.x - self.map_min
            dist_right = self.map_max - self.pose.x
            dist_bottom = self.pose.y - self.map_min
            dist_top = self.map_max - self.pose.y
            
            min_dist = min(dist_left, dist_right, dist_bottom, dist_top)
            
            if min_dist < self.safe_dist:
                # 危险！准备转向
                self.get_logger().warn(f'⚠️ 检测到墙壁 (距离: {min_dist:.2f})，正在转向...')
                self.state = 'TURNING'
                self.turn_start_theta = self.pose.theta
                # 随机向左或向右转 90 度
                direction = 1 if random.random() > 0.5 else -1
                self.target_theta = self.turn_start_theta + (self.turn_angle * direction)
                cmd.linear.x = 0.0
                cmd.angular.z = self.ang_speed * direction
            else:
                # 安全，继续前进
                cmd.linear.x = self.lin_speed
                cmd.angular.z = 0.0
                
        elif self.state == 'TURNING':
            # 计算当前角度与目标角度的差
            angle_diff = self.target_theta - self.pose.theta
            
            # 标准化角度 (-pi 到 pi)
            while angle_diff > math.pi:
                angle_diff -= 2.0 * math.pi
            while angle_diff < -math.pi:
                angle_diff += 2.0 * math.pi
            
            if abs(angle_diff) < 0.1: # 转向完成
                self.get_logger().info('✅ 转向完成，继续探索。')
                self.state = 'MOVE'
                cmd.linear.x = 0.0
                cmd.angular.z = 0.0
            else:
                # 继续旋转
                cmd.linear.x = 0.0
                cmd.angular.z = self.ang_speed * (1.0 if angle_diff > 0 else -1.0)

        self.cmd_pub.publish(cmd)

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    node = MazeRunnerNode()
    try:
        rclpy.spin(node)
    except KeyboardInterrupt:
        pass
    finally:
        node.destroy_node()
        rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

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🔧 第三关：集成与 Launch 文件

1. 更新 setup.py

别忘了注册新的可执行文件！

entry_points={
    'console_scripts': [
        'go_to_goal = my_turtle_bot.go_to_goal:main',
        'maze_runner = my_turtle_bot.maze_runner:main', # 🆕 新增
    ],
},
# 确保 data_files 包含 launch 文件夹 (参考 Day 6)

2. 创建 escape.launch.py

在 launch/ 文件夹下新建 escape.launch.py。

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch.actions import ExecuteProcess

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        # 1. 启动仿真器 (背景设为黑色，增加神秘感)
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='turtlesim_node',
            name='simulator',
            parameters=[{'background_r': 20, 'background_g': 20, 'background_b': 20}]
        ),
        # 2. 启动我们的 AI 导航员
        Node(
            package='my_turtle_bot',
            executable='maze_runner',
            name='ai_pilot',
            output='screen',
            parameters=[
                {'safe_distance': 1.5}, # 离墙远点就开始转
                {'linear_speed': 3.0}   # 跑快点！
            ]
        ),
        # 3. (可选) 自动打开键盘控制作为备用
        # ExecuteProcess(cmd=['ros2', 'run', 'turtlesim', 'turtle_teleop_key']),
    ])

3. 编译与运行

cd ~/ROS2
colcon build --packages-select my_turtle_bot
source install/setup.bash

# 一键启动逃生挑战！
ros2 launch my_turtle_bot escape.launch.py

👀 观察现象：

• 海龟会自动向前冲。
• 快到墙壁时，它会急刹车，然后帅气地转个弯，继续探索。
• 它永远不会撞墙！

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🎨 创意升级挑战 (选做)

如果你想让项目更酷，尝试以下升级：

1. 🌈 彩虹轨迹 ：
   • 修改代码，每当海龟成功转向时，调用 /clear 服务，并改变背景颜色或海龟颜色。
2. 🎯 定点寻宝 ：
   • 结合 Day 5 的 go_to_goal 逻辑。设定一个随机目标点，海龟必须先避障走到目标点，然后再找下一个。
3. 👻 多龟大逃杀 ：
   • 使用 ros2 run turtlesim spawn 生成 5 只海龟。
   • 修改 maze_runner 支持多只海龟（通过 remapping 话题名称 turtleX/cmd_vel）。
   • 看谁最后还在地图上活着！

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🎓 结营大典：你学到了什么？

恭喜你完成了 ROS2 机器人 少年创客营！让我们盘点一下你的技能树：

领域	技能点	应用场景
通信机制	Topic (发布/订阅)	传感器数据流、控制指令
	Service (请求/响应)	开关灯、重置位置、清屏
	Action (目标/反馈/结果)	长时任务、导航、可中断操作
节点开发	Class 结构、Timer、Callback	构建稳健的机器人逻辑
数学基础	坐标系转换、PID 思想、角度归一化	运动控制核心算法
工程工具	Colcon 编译、Package.xml	项目管理与依赖处理
系统集成	Launch Files 、Parameters	一键部署、动态配置、产品化

🎁 毕业作业

请将你的 src/my_turtle_bot 文件夹打包，或者上传到 GitHub。

在你的简历或作品集中，你可以自豪地写下：

项目名称 ：基于 ROS 2 的自主移动机器人仿真系统
技术栈 ：Python, ROS 2 (Humble/Iron/Jazzy), Launch System, State Machines
功能描述：实现了基于话题通信的运动控制、基于 Action 的任务管理、以及基于参数化 Launch 文件的自动化部署系统。具备自主避障与路径规划能力。

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🚀 未来的路

今天的结束，是你机器人工程师生涯的开始。

• 下一步建议 ：
  • 尝试在 真实机器人 (如树莓派 + 小车) 上运行类似的代码。
  • 学习 Nav2 (ROS 2 官方导航栈)，那是工业级的避障与路径规划。
  • 探索 SLAM (即时定位与地图构建)，让机器人在未知环境中画地图。
  • 学习 MoveIt 2，机械臂控制的王者。

保持好奇，保持创造。世界需要你的代码！

🎓 谨此颁发 "ROS2 机器人 少年创客营" 结业证书 (电子版)

授予：[你的名字]

鉴于其在 2026 年 3 月期间，成功掌握了 ROS 2 核心架构，完成了从单节点控制到系统集成自主导航的全部挑战，特发此证，以资鼓励。

签发人：AI 导师
日期：2026-03-24

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© 2026 ROS2 机器人 少年创客营 | 愿你的代码永远 Compile Pass，愿你的机器人永不 Bug！ 🤖✨