差速驱动机器人项目 (Diff Robot)

基于ROS2的差速驱动机器人仿真与控制系统，支持Gazebo物理仿真、键盘遥控及基于势场法（APF）的自动避障导航。

环境要求

• 操作系统: Ubuntu 22.04 LTS (推荐)
• ROS2版本: Humble Hawksbill
• 依赖:
  • ros-humble-desktop
  • ros-humble-ros2-control
  • ros-humble-ros2-controllers
  • ros-humble-gazebo-ros-pkgs
  • ros-humble-gazebo-ros2-control
  • ros-humble-xacro

快速开始

1. 环境配置

source scripts/env_setup.sh

2. 一键编译

./scripts/build_all.sh

3. 启动仿真

ros2 launch diff_robot_control gazebo.launch.py

4. 键盘遥控

ros2 run diff_robot_teleop teleop_twist_keyboard

5. 自动避障导航

ros2 launch diff_robot_navigation navigation.launch.py

安装依赖

# 安装ROS2 Humble (如未安装)
sudo apt install ros-humble-desktop

# 安装额外依赖
sudo apt install \
  ros-humble-ros2-control \
  ros-humble-ros2-controllers \
  ros-humble-gazebo-ros-pkgs \
  ros-humble-gazebo-ros2-control \
  ros-humble-xacro \
  ros-humble-joint-state-publisher-gui

编译

# 进入工作空间
cd diff_robot

# 安装依赖
rosdep install --from-paths src --ignore-src -r -y

# 编译
colcon build --symlink-install

# 加载环境
source install/setup.bash

启动

1. 启动Gazebo仿真

ros2 launch diff_robot_control gazebo.launch.py

2. 启动键盘遥控

ros2 run diff_robot_teleop teleop_twist_keyboard

3. 查看机器人模型

ros2 launch diff_robot_description view_robot.launch.py

4. 启动自动避障

ros2 launch diff_robot_navigation navigation.launch.py

5. Docker 运行

# 构建并启动
docker compose -f docker/docker-compose.yaml build
docker compose -f docker/docker-compose.yaml up -d
docker compose -f docker/docker-compose.yaml exec diff-robot bash

# 容器内运行
ros2 launch diff_robot_control gazebo.launch.py

使用说明

话题列表

话题名称	类型	说明
/diff_drive_controller/cmd_vel_unstamped	geometry_msgs/Twist	速度控制指令（差速驱动控制器）
/odom	nav_msgs/Odometry	里程计数据
/joint_states	sensor_msgs/JointState	关节状态
/scan	sensor_msgs/LaserScan	激光雷达扫描数据（避障输入）

键盘遥控说明

按键	功能
w	前进
x	后退
a	左转
d	右转
s	停止
q/z	增加/减少线速度 (10%)
e/c	增加/减少角速度 (10%)

遥控节点可配置参数（通过 --ros-args -p 或 YAML 配置）：

参数	默认值	说明
linear_speed	0.5	初始线速度 (m/s)
angular_speed	1.0	初始角速度 (rad/s)
max_linear_speed	2.0	最大线速度 (m/s)
max_angular_speed	4.0	最大角速度 (rad/s)
cmd_vel_topic	/diff_drive_controller/cmd_vel_unstamped	发布的速度话题

避障节点参数

避障节点使用人工势场法（APF），参数可通过 obstacle_avoidance.yaml 配置：

参数	默认值	说明
linear_speed	0.3	最大线速度 (m/s)
angular_speed	0.8	最大角速度 (rad/s)
safety_distance	0.3	安全距离（小于此距离紧急停止）(m)
influence_distance	1.5	障碍物影响距离 (m)
attractive_gain	1.0	吸引力增益
repulsive_gain	100.0	排斥力增益
angular_gain	2.0	角度到角速度的增益

速度控制示例

# 发布前进指令
ros2 topic pub /diff_drive_controller/cmd_vel_unstamped geometry_msgs/Twist "{linear: {x: 0.5}, angular: {z: 0.0}}"

功能包说明

diff_robot_description

机器人描述文件包，包含：

• URDF/xacro 机器人模型（底盘、差速轮、万向轮、2D激光雷达）
• RViz 配置文件

diff_robot_control

仿真与控制包，包含：

• Gazebo Classic 仿真启动文件
• ros2_control 控制器配置
• 差速驱动控制器（DiffDriveController）+ 关节状态广播器

diff_robot_teleop

遥控节点包，包含：

• 键盘遥控节点（支持速度动态调节）
• 可配置的速度上下限与话题名称

diff_robot_navigation

导航与避障功能包，包含：

• 基于人工势场法（APF）的自动避障节点
• 激光雷达数据实时处理（URDF 内置 360 度 2D LiDAR）
• 激光雷达数据看门狗（无数据时自动停车并报警）
• 可配置的安全距离、影响力范围及增益参数

diff_robot_mode_manager

模式管理器功能包，是夹在多个速度源与差速控制器之间的集中式 cmd_vel 仲裁层，包含：

• 多模式仲裁：任意时刻仅当前模式的速度指令被转发到控制器，其余丢弃
• 模式切换：通过 /mode/set 服务在 MANUAL / AUTO / IDLE 间显式切换
• 紧急停止：/mode/emergency 触发急停终态，立即发零速；急停期间拒绝一切模式切换，须显式释放才回 IDLE
• 输入看门狗：当前模式对应源静默超过 input_timeout（默认 0.3s）即切回 IDLE 并发零，作为控制器 2s 超时之上的快速层
• 单线程执行：消除急停切换路径的并发竞态
• 配置驱动：YAML 定义模式、话题、看门狗超时

模式列表

模式	输入话题	说明
EMERGENCY_STOP	-	紧急停止终态，仅经 /mode/emergency 进入/释放
MANUAL	/cmd_vel_teleop	手动遥控模式
AUTO	/cmd_vel_avoidance	自动避障模式
IDLE	-	空闲停止（默认起始模式、看门狗超时回退目标）

服务接口

服务	类型	说明
/mode/set	diff_robot_mode_manager/srv/SetMode	切换模式（target_mode: MANUAL/AUTO/IDLE，不可为 EMERGENCY_STOP）
/mode/emergency	std_srvs/SetBool	急停（data=true 激活、data=false 释放）

话题接口

话题	类型	说明
/cmd_vel_teleop	geometry_msgs/Twist	遥控输入
/cmd_vel_avoidance	geometry_msgs/Twist	避障输入
/mode/status	std_msgs/String	模式状态（JSON：current_mode/available_modes/active_modes）
/diff_drive_controller/cmd_vel_unstamped	geometry_msgs/Twist	最终输出

配置

mode_manager.yaml 关键项：

参数	默认值	说明
input_timeout	0.3	当前模式输入源静默超时（秒），超时切 IDLE
status.rate	10	状态发布频率（Hz）

启动模式管理器

ros2 launch diff_robot_mode_manager mode_manager.launch.py

许可证

Apache License 2.0