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C++ Cartographer的入口node main詳細講解

2023-03-17 06:05:48

啃一下谷歌優秀的鐳射SLAM開源框架-Cartographer. 這個框架演演算法簡單,但是程式部分太多需要學習的地方了.不論是整體框架的結構,還是資料的使用,都是非常優美的.不愧是大公司啊.接下來記錄一下每天學習的內容和心得,督促自己堅持下去!

node_main.cc是整個Cartographer程式的入口,用來呼叫整個Cartographer程序。以最基礎的單線雷達和輪速計為例。

整體的程式碼開始是在Run函數中實現的。

Run函數

void Run() {
  constexpr double kTfBufferCacheTimeInSeconds = 10.;
  tf2_ros::Buffer tf_buffer{::ros::Duration(kTfBufferCacheTimeInSeconds)};
  // 開啟監聽tf的獨立執行緒
  tf2_ros::TransformListener tf(tf_buffer);
  NodeOptions node_options;
  TrajectoryOptions trajectory_options;
  // c++11: std::tie()函數可以將變數連線到一個給定的tuple上,生成一個元素型別全是參照的tuple
  // 讀取Lua檔案內容,把Lua檔案內容給到node_options和trajectory_options
  std::tie(node_options, trajectory_options) =
      LoadOptions(FLAGS_configuration_directory, FLAGS_configuration_basename);
  // MapBuilder類是完整的SLAM演演算法類
  // 包含前端(TrajectoryBuilders,scan to submap) 與 後端(用於查詢迴環的PoseGraph) 
  auto map_builder =
      cartographer::mapping::CreateMapBuilder(node_options.map_builder_options);//在map_builder.cc中實現,工廠函數
                                                                                //在這裡,範例化一個MapBuilder, 而MapBuilder是MapBuilderInterface的子類                                                                             //MapBuilder的AddTrajectoryBuilder範例化了CollatedTrajectoryBuilder 
  // c++11: std::move 是將物件的狀態或者所有權從一個物件轉移到另一個物件, 
  // 只是轉移, 沒有記憶體的搬遷或者記憶體拷貝所以可以提高利用效率,改善效能..
  // 右值參照是用來支援轉移語意的.轉移語意可以將資源 ( 堆, 系統物件等 ) 從一個物件轉移到另一個物件, 
  // 這樣能夠減少不必要的臨時物件的建立、拷貝以及銷燬, 能夠大幅度提高 C++ 應用程式的效能.
  // 臨時物件的維護 ( 建立和銷燬 ) 對效能有嚴重影響.
  // Node類的初始化, 開啟訂閱,釋出topic和service,將ROS的topic傳入SLAM, 也就是MapBuilder
  Node node(node_options, std::move(map_builder), &tf_buffer,
            FLAGS_collect_metrics);
  // 如果載入了pbstream檔案, 就執行這個函數,為定位
  if (!FLAGS_load_state_filename.empty()) {
    node.LoadState(FLAGS_load_state_filename, FLAGS_load_frozen_state);
  }
  // 使用預設topic 開始軌跡
  if (FLAGS_start_trajectory_with_default_topics) {
    node.StartTrajectoryWithDefaultTopics(trajectory_options);
  }
  ::ros::spin();
  // 結束所有處於活動狀態的軌跡
  node.FinishAllTrajectories();
  // 當所有的軌跡結束時, 再執行一次全域性優化
  node.RunFinalOptimization();
  // 如果save_state_filename非空, 就儲存pbstream檔案
  if (!FLAGS_save_state_filename.empty()) {
    node.SerializeState(FLAGS_save_state_filename,
                        true /* include_unfinished_submaps */);
  }
}
}  // namespace
}  // namespace cartographer_ros

Run函數主要做了一下幾件事:

  • 讀取Lua組態檔中的內容,確定節點構造的方式和軌跡構造的方式與引數。
  • 範例化map_builder,map_builder是完整的SLAM演演算法類,包含了前端和後端。具體時間方式是通過工廠模式。
  • 初始化Node,通過初始化Node,開啟訂閱,釋出topic與service,還將topic帶的感測器資料傳入MapBuilder。
  • 判斷是否為定位還是建圖,並開啟軌跡
  • 死迴圈,不停地接受topic並執行Cartographer
  • 結束時停止所用感測器資料的訂閱,並且執行一次全域性優化,儲存pbstream地圖檔案

讀取設定引數

其中std::tie很有意思,可以實現多個不同型別的返回值. 很多時候我們想通過一個函數丟出去多個結果,但一個函數只能有一個返回值,於是我們可以用std::make_tuple把多個返回值打包成std::tuple型別的資料,這時候返回值只是tuple型別了,所以沒有違反只能返回一個返回值的規定.這點很類似Python中的pickle和tuple,啥都可以裝在一起丟出去. 實現檔案在node_options.cc

/**
 * @brief 載入lua組態檔中的引數
 * 
 * @param[in] configuration_directory 組態檔所在目錄
 * @param[in] configuration_basename 組態檔的名字
 * @return std::tuple<NodeOptions, TrajectoryOptions> 返回節點的設定與軌跡的設定
 */
std::tuple<NodeOptions, TrajectoryOptions> LoadOptions(
    const std::string& configuration_directory,
    const std::string& configuration_basename) {
  // 獲取組態檔所在的目錄
  auto file_resolver =
      absl::make_unique<cartographer::common::ConfigurationFileResolver>(
          std::vector<std::string>{configuration_directory});
  // 讀取組態檔內容到code中
  const std::string code =
      file_resolver->GetFileContentOrDie(configuration_basename);
  // 根據給定的字串, 生成一個lua字典
  cartographer::common::LuaParameterDictionary lua_parameter_dictionary(
      code, std::move(file_resolver));
  // 建立元組tuple,元組定義了一個有固定數目元素的容器, 其中的每個元素型別都可以不相同
  // 將組態檔的內容填充進NodeOptions與TrajectoryOptions, 並返回
  return std::make_tuple(CreateNodeOptions(&lua_parameter_dictionary),
                         CreateTrajectoryOptions(&lua_parameter_dictionary));
}

構建地圖構建器

Cartographer_ros和Cartographer是兩個部分,一個是資料處理與分配,一個才是真正的Cartographer演演算法程式碼的部分,程式碼上把ros和演演算法庫分得很開,讓我們移植和開發很容易.那麼如何讓ros資料和Cartographer演演算法建立聯絡呢?第一步就是地圖構建器.

地圖構建器的大致作用是呼叫Cartographer的演演算法.

地圖構建器通過組態檔中node_options中map_builder_options部分去初始化一個地圖.這個地圖構建器的作用以後再說.先來看看他是怎麼實現的.

由node_main.cc呼叫map_builder中的CreateMapBuilder函數,這個函數只有一個引數,就是上一行從lua中讀取的組態檔內容. 進入map_builder.cc中:

// 工廠函數,生成介面API
std::unique_ptr<MapBuilderInterface> CreateMapBuilder(
    const proto::MapBuilderOptions& options) {
  return absl::make_unique<MapBuilder>(options);
}

發現這個就是一個介面函數. 但這個函數也有用到一些cpp的技巧,值得學習:

返回值是一個unique_ptr的MapBuilder型別的類,而返回型別卻定於為MapBuilder的父類別MapBuilderInterface類,這在cpp中是允許的,而且這樣做更能讓返回值型別更加有包容性,實現工廠模式.

MapBuilder這個類是SLAM演演算法的入口類十分重要,用來初始化pose_graph,建立軌跡等.會在另一篇中詳細介紹.

Node類的初始化

Node類的作用主要是感測器資料的獲取和處理,讓資料與MapBuilder構建聯絡,從而使獲取的raw sensor data能夠灌入Cartographer演演算法庫,實現定位建圖等功能.

在node_main.cc中初始化方式如下:

  // Node類的初始化, 開啟訂閱,釋出topic和service,將ROS的topic傳入SLAM, 也就是MapBuilder
  Node node(node_options, std::move(map_builder), &tf_buffer,
            FLAGS_collect_metrics);

這一行程式碼也有值得學習的地方,就是std::move這個函數,他通過把某個範例化的類變為右值參照然後直接轉移給某個物件,從而實現高效的"轉移".

舉個簡單的不太恰當的例子,你想要我的西瓜,有兩種方式,一個是我不遠千里坐車給你,還有一種是給西瓜貼上你的名字,別人問我就說我說了不算,問你去. std::move就是後者(如有錯請指出哈).所以這樣可以直接從一個物件轉移到另一物件(貼名字),取消了不必要的臨時物件的建立拷貝與銷燬(運輸西瓜需要位子還要搬上搬下). 對於佔用很大的類的轉移就很節約開銷(一億噸西瓜咋運啊).大致就這個意思.

Node類的內容在node.cc中,主要作用是實現感測器資料的訂閱釋出以及初始處理, 以及傳遞給mapbuilder.具體內容在後面會詳細介紹.

開始軌跡與結束軌跡

在上面範例化了Node類之後,我們就可以呼叫node中的方法去建圖. 建圖就不用載入地圖了,畢竟是建圖,所以直接呼叫node開始軌跡,然後在進入ros中的死迴圈,不停地接受新的資料,處理並運算,輸出結果, 直到按下ctrl+c去終止程式,跳出死迴圈,執行結束輸入資料和進行最終優化.

其實看程式就可以知道,Cartographer的建圖和定位是一樣的,只是建圖的時候不載入地圖並且在結束的時候儲存地圖,定位的時候載入地圖,可以不儲存地圖,也可不進行最終優化.其實我測試的不進行最終優化也是可以的,畢竟定位是實時的,就算最終優化使之前的定位結果有變化,機器人也回不去了.所以我認為是可以去掉的.

  // 如果載入了pbstream檔案, 就執行這個函數,為定位
  if (!FLAGS_load_state_filename.empty()) {
    node.LoadState(FLAGS_load_state_filename, FLAGS_load_frozen_state);
  }
  // 使用預設topic 開始軌跡
  if (FLAGS_start_trajectory_with_default_topics) {
    node.StartTrajectoryWithDefaultTopics(trajectory_options);
  }
  ::ros::spin();
  // 結束所有處於活動狀態的軌跡
  node.FinishAllTrajectories();
  // 當所有的軌跡結束時, 再執行一次全域性優化
  node.RunFinalOptimization();
  // 如果save_state_filename非空, 就儲存pbstream檔案
  if (!FLAGS_save_state_filename.empty()) {
    node.SerializeState(FLAGS_save_state_filename,
                        true /* include_unfinished_submaps */);
  }

LoadState作用是載入地圖檔案.這個地圖不同於可以視覺化的地圖,這個地圖裡麵包含了位姿圖pose_graph,感測器資料和landmark_pose等其他資訊,不單單是一個地形圖一樣的地圖.呼叫的最終函數是Cartographer演演算法部分的map_builder.cc中的同名函數,呼叫流程一環套一環(Cartographer整體框架就是這樣,複雜但都是必要的).呼叫的流程如下:

只有最後一層的map_builder.cc才是Cartographer演演算法部分的內容,才是真正實現載入地圖的功能. 這部分程式又臭又長,大家可以自己看看,實現功能載入posegraph和舊地圖的感測器資料與landmark.

StartTrajectoryWithDefaultTopics實際上是呼叫了node.cc的AddTrajectory,去讓map_builder建立一個軌跡,並且新增位姿估計器,感測器資料取樣器,訂閱topic以及呼叫回撥函數的功能. 這個函數建立了資料與演演算法的統一. 詳細會在Node中解析.

FinishAllTrajectories呼叫node.cc中的FinishTrajectoryUnderLock去結束感測器訂閱,然後呼叫map_builder的FinishTrajectory()進行軌跡的結束

node::RunFinalOptimization呼叫map_builder的pose_graph的RunFinalOptimization實現結束建圖後所有位姿圖的最終優化.

由此可見, Node類通過類方法,實現了感測器資料的處理與使用.具體的方式是用了sensor_bridge和map_builder_bridge,把感測器資料轉換並且給了Cartographer的演演算法部分, 實現了建圖與定位.

到此這篇關於C++ Cartographer的入口node_main詳細講解的文章就介紹到這了,更多相關C++ node_main內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com!


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