Faire une carte

S’applique à : Simulation Robot réel

Pour naviguer seul, le robot a besoin d’une carte du lieu : une image vue de dessus, où le noir est un obstacle, le blanc un espace libre et le gris l’inconnu. On la construit une fois, en promenant le robot pendant que son lidar balaie les lieux ; on l’enregistre ensuite pour la navigation (voir Navigation autonome).

Le principe

La cartographie résout deux problèmes à la fois — d’où son nom anglais de SLAM, Simultaneous Localization And Mapping : placer les obstacles sur la carte suppose de savoir d’où on les a vus, et savoir où l’on est suppose une carte.

Le logiciel (slam_toolbox) procède pas à pas. L’odométrie donne une première estimation du déplacement ; chaque balayage du lidar est ensuite recalé sur la carte déjà construite, ce qui corrige l’estimation et ajoute les nouvelles mesures. Lorsque le robot revient dans une zone déjà vue, une fermeture de boucle répartit l’erreur accumulée sur tout le trajet.

Ce qu’il vous faut

  • le robot chargé, allumé et prêt (voyant bleu), le ST-Link débranché ;

  • son lidar vérifié (voir Le lidar) : un lidar mal déclaré construit une carte à l’envers ;

  • le PC, sur le même réseau que le robot, avec la manette branchée (voir Piloter le robot) ;

  • un morceau de ruban adhésif pour marquer le départ ;

  • une dizaine de minutes pour une pièce, préparation comprise.

1. Préparer

Choisissez un décor (voir La simulation en détail). Pour une première carte, hampton_simple.sdf est le plus facile : un labyrinthe sans boucle, aux couloirs larges.

Lancez la simulation sans vérité terrain — l’option ground_truth_tf:=false est obligatoire pour cartographier (voir La simulation en détail) :

./scripts/ratbot up hampton_simple ground_truth_tf:=false

Préparez la pièce. La carte fige ce que le lidar voit pendant la promenade :

  • dégagez le sol : le lidar balaie à un peu moins de 25 cm du sol et ne voit ni une chaussure, ni un câble, ni un objet bas. Ce qui reste sera aussi invisible pour la navigation ;

  • écartez les meubles à pieds fins — chaises, tables, lampadaires — ou rangez-les contre un mur. Le lidar fait un point par degré : à 2 m, deux points voisins sont à 3,5 cm l’un de l’autre, et un pied de 2 cm passe entre deux rayons. Il n’apparaît que par moments, ou pas du tout ;

  • décidez des portes : ouvertes ou fermées, elles resteront ainsi sur la carte ;

  • que personne ne circule dans la pièce : une jambe qui passe laisse une trace ;

  • les miroirs, vitres et surfaces noires brillantes renvoient mal le faisceau : attendez-vous à des trous à ces endroits.

Marquez le départ. La carte prend pour origine la position du robot au lancement, et la navigation supposera plus tard qu’il y démarre. Posez le robot à son point de départ, et marquez au sol, au ruban, l’emplacement des deux roues et le sens de l’avant : vous pourrez le reposer exactement là.

2. Lancer la cartographie

La manette dans un deuxième terminal :

./scripts/ratbot joy

La cartographie dans un troisième :

./scripts/ratbot slam 1

La commande vérifie que le robot est visible, reconnaît la simulation, puis ouvre RViz. La carte a pour origine la place de départ du robot dans le décor. Si la simulation a été lancée avec la vérité terrain, la commande refuse et rappelle l’option ground_truth_tf:=false.

Sur le PC, la manette dans un terminal :

./scripts/ratbot joy

La cartographie dans un autre :

cd ~/ratbot_ws
./scripts/ratbot slam 1

La commande vérifie que le robot est visible, remet son odométrie à zéro — c’est ce qui fait du point de départ l’origine de la carte —, puis ouvre RViz. Ne bougez pas le robot avant que RViz soit ouvert.

RViz s’ouvre et montre, robot immobile, les points du lidar qui dessinent les murs autour du robot, et la carte qui commence à se remplir autour de lui (voir Visualiser dans RViz).

3. Promener le robot

Roulez lentement, surtout en tournant : si le robot se déplace trop entre deux balayages, ceux-ci ne se recouvrent plus assez pour être recalés, et les murs se dédoublent. Sur le robot réel, dont le lidar ne fait que 6,5 tours par seconde, tenez L1 seul — la vitesse lente — et n’appuyez pas sur CARRÉ.

En conduisant, regardez RViz :

  • longez les murs, à 30 cm à 1 m, plutôt que le milieu de la pièce : le lidar voit mieux ce qui est proche ;

  • tournez lentement, de préférence en avançant un peu plutôt que sur place ;

  • faites le tour complet, puis revenez au départ en repassant par des endroits déjà vus : c’est ce retour qui ferme la boucle et corrige la dérive ;

  • passez derrière les meubles et dans les recoins : ce qui reste gris est inconnu, et la navigation l’évitera.

Les murs doivent rester fins et nets. S’ils se dédoublent ou s’épaississent, arrêtez-vous, puis revenez lentement vers une zone déjà bien cartographiée : le logiciel se recale souvent de lui-même.

4. Enregistrer

Sans arrêter la cartographie, dans un nouveau terminal, depuis la racine du dépôt :

./scripts/ratbot map save 1 salon

Un simple nom range la carte avec celles du dépôt, dans ros2_ws/src/ratbot_maps/maps/ : elle sert aussitôt à la navigation, sans recompiler, depuis le PC comme depuis le conteneur Docker. Nommez-la d’après le lieu : la pièce pour un robot réel, le nom du décor en simulation — ./scripts/ratbot nav 1 charge alors seule la carte du décor en cours (voir Navigation autonome).

./scripts/ratbot map list affiche les cartes du dépôt. Celles qui sont fournies avec lui, comme rooms, ne peuvent pas être écrasées. Un chemin complet, avec un /, enregistre ailleurs.

Deux fichiers sont écrits :

  • .pgm : l’image de la carte, en niveaux de gris (noir : obstacle, blanc : libre, gris : inconnu) ;

  • .yaml : sa description — taille d’un pixel (5 cm), position de l’origine, seuils d’occupation.

Gardez-les ensemble, sans renommer l’un sans l’autre : le .yaml désigne le .pgm par son nom. La cartographie peut ensuite être arrêtée (Ctrl+C).

5. Vérifier la carte

Ouvrez le .pgm avec un visualiseur d’images. Une bonne carte a :

  • des murs droits, d’un seul trait, qui se referment : pas de mur en double, pas de pièce « ouverte » là où il n’y a pas de passage ;

  • des angles droits là où le lieu en a ;

  • le moins de gris possible dans les zones où le robot devra circuler.

Une carte ratée ne se répare pas : refaites-la, plus lentement, en fermant mieux la boucle.

Plusieurs robots à la fois

Chaque robot a sa propre cartographie : une commande slam par robot, dans des terminaux séparés. Chacune ouvre sa fenêtre RViz, dont la barre de titre porte le numéro du robot (ratbot_2_slam.rviz), et publie sa carte sur /ratbot_N/map. On enregistre chaque carte avec le numéro de son robot :

./scripts/ratbot map save 1 salon_robot1
./scripts/ratbot map save 2 salon_robot2

Les cartes restent séparées : chacune a pour origine le point de départ de son robot. Leur fusion en une carte commune n’est pas encore disponible.

Reprendre une carte plus tard

L’image .pgm ne suffit pas pour reprendre ou agrandir une carte. Il faut pour cela enregistrer aussi le travail interne de la cartographie, pendant qu’elle tourne :

ros2 service call /ratbot_1/slam_toolbox/serialize_map \
   slam_toolbox/srv/SerializePoseGraph "{filename: '$HOME/cartes/salon'}"

Et ensuite

En cas de souci

« robot 1 introuvable »

Le robot n’est pas allumé, pas sur le même réseau, ou le PC n’est pas dans le domaine ROS 77 (echo $ROS_DOMAIN_ID).

Le robot ne bouge pas

Gâchette L1 tenue ? Manette en mode PlayStation (LED bleue) ? Voyant du robot bleu, et non orange ou rouge (voir Arrêter et relancer le robot) ?

RViz s’ouvre, mais pas de carte

La carte n’apparaît qu’après le premier balayage traité : attendre quelques secondes. Sinon, vérifier dans RViz le repère de référence (Fixed Frame ratbot_1/map) et le topic de l’affichage Map (/ratbot_1/map).

Les murs se dédoublent

Trop vite, surtout en rotation : ralentir, revenir sur une zone connue. Si les murs se dédoublent dès le premier virage, même lentement, le lidar est peut-être mal déclaré (voir Le lidar). Dans un labyrinthe très symétrique, deux couloirs identiques peuvent aussi être confondus : c’est une limite de la cartographie au lidar, pas un défaut.

Le robot s’arrête en orange

Une sécurité s’est déclenchée — choc contre un meuble, patinage, blocage. Réarmer (voir Arrêter et relancer le robot), puis reprendre : la cartographie continue, inutile de la relancer.

En simulation, Gazebo instable ou lidar en retard

Accès à la carte graphique manquant dans le conteneur : les balayages arrivent trop tard pour être recalés, et la cartographie échoue sans message clair. Voir Environnement Docker.