树莓派4B+ROS+RealSense T265室内定位替代光流开源方案

2023-05-16

硬件机载端：树莓派4B 4/8G 、T265、RPLIDAR-A2

配套开发环境：

树莓派系统Ubuntu 20.04.3 LTS

RealSense SDK 2.0

ROS系统版本：noetic+realsense-ros

多平台远程登陆软件：nomachine（win10、mac、安卓、ubuntu等）

有两种方案实现t265位姿数据，本方案通过修改宏定义T265_STATE_CAPTURE_ENABLE实现

1、可直接利用SDK函数中的rs-pose获取位姿数据，参考链接如下：

rs-pose (intelrealsense.com)

2、利用官方提供的realsense-ros包中自带的demo启动roslaunch realsense2_camera rs_t265.launch，通过订阅节点发布的"/camera/odom/sample"话题获取位姿数据

传输浮点数据需有用到的数据转换函数（大小端通用）

#include <iostream>

#include "datatf.h"

using namespace std;

union

{

unsigned char floatByte[4];

float floatValue;

}FloatUnion;

/***************************************************************************************

@函数名：void Float2Byte(float *FloatValue, unsigned char *Byte, unsigned char Subscript)

@入口参数：FloatValue:float值

Byte:数组

Subscript:指定从数组第几个元素开始写入

@出口参数：无

功能描述：将float数据转成4字节数据并存入指定地址

@作者：无名小哥

@日期：2020年01月17日

****************************************************************************************/

void Float2Byte(float *FloatValue, unsigned char *Byte, unsigned char Subscript)

{

FloatUnion.floatValue = (float)2;

if(FloatUnion.floatByte[0] == 0)//小端模式

{

FloatUnion.floatValue = *FloatValue;

Byte[Subscript] = FloatUnion.floatByte[0];

Byte[Subscript + 1] = FloatUnion.floatByte[1];

Byte[Subscript + 2] = FloatUnion.floatByte[2];

Byte[Subscript + 3] = FloatUnion.floatByte[3];

}

else//大端模式

{

FloatUnion.floatValue = *FloatValue;

Byte[Subscript] = FloatUnion.floatByte[3];

Byte[Subscript + 1] = FloatUnion.floatByte[2];

Byte[Subscript + 2] = FloatUnion.floatByte[1];

Byte[Subscript + 3] = FloatUnion.floatByte[0];

}

/***************************************************************************************

@函数名：void Byte2Float(unsigned char *Byte, unsigned char Subscript, float *FloatValue)

@入口参数：Byte:数组

Subscript:指定从数组第几个元素开始写入

FloatValue:float值

@出口参数：无

功能描述：从指定地址将4字节数据转成float数据

@作者：无名小哥

@日期：2020年01月17日

****************************************************************************************/

void Byte2Float(unsigned char *Byte, unsigned char Subscript, float *FloatValue)

{

FloatUnion.floatByte[0]=Byte[Subscript];

FloatUnion.floatByte[1]=Byte[Subscript + 1];

FloatUnion.floatByte[2]=Byte[Subscript + 2];

FloatUnion.floatByte[3]=Byte[Subscript + 3];

*FloatValue=FloatUnion.floatValue;

}

传输浮点数据需有用到的数据转换函数（大小端通用）

#include <iostream>

#include "datatf.h"

using namespace std;

union

{

unsigned char floatByte[4];

float floatValue;

}FloatUnion;

/***************************************************************************************

@函数名：void Float2Byte(float *FloatValue, unsigned char *Byte, unsigned char Subscript)

@入口参数：FloatValue:float值

Byte:数组

Subscript:指定从数组第几个元素开始写入

@出口参数：无

功能描述：将float数据转成4字节数据并存入指定地址

@作者：无名小哥

@日期：2020年01月17日

****************************************************************************************/

void Float2Byte(float *FloatValue, unsigned char *Byte, unsigned char Subscript)

{

FloatUnion.floatValue = (float)2;

if(FloatUnion.floatByte[0] == 0)//小端模式

{

FloatUnion.floatValue = *FloatValue;

Byte[Subscript] = FloatUnion.floatByte[0];

Byte[Subscript + 1] = FloatUnion.floatByte[1];

Byte[Subscript + 2] = FloatUnion.floatByte[2];

Byte[Subscript + 3] = FloatUnion.floatByte[3];

}

else//大端模式

{

FloatUnion.floatValue = *FloatValue;

Byte[Subscript] = FloatUnion.floatByte[3];

Byte[Subscript + 1] = FloatUnion.floatByte[2];

Byte[Subscript + 2] = FloatUnion.floatByte[1];

Byte[Subscript + 3] = FloatUnion.floatByte[0];

}

/***************************************************************************************

@函数名：void Byte2Float(unsigned char *Byte, unsigned char Subscript, float *FloatValue)

@入口参数：Byte:数组

Subscript:指定从数组第几个元素开始写入

FloatValue:float值

@出口参数：无

功能描述：从指定地址将4字节数据转成float数据

@作者：无名小哥

@日期：2020年01月17日

****************************************************************************************/

void Byte2Float(unsigned char *Byte, unsigned char Subscript, float *FloatValue)

{

FloatUnion.floatByte[0]=Byte[Subscript];

FloatUnion.floatByte[1]=Byte[Subscript + 1];

FloatUnion.floatByte[2]=Byte[Subscript + 2];

FloatUnion.floatByte[3]=Byte[Subscript + 3];

*FloatValue=FloatUnion.floatValue;

}

机载端代码如下:

#include <ros/ros.h>

#include <serial/serial.h>

#include <std_msgs/String.h>

#include <std_msgs/Bool.h>

#include <std_msgs/Empty.h>

#include <geometry_msgs/Pose.h>

#include <geometry_msgs/PoseStamped.h>

#include <geometry_msgs/Vector3.h>

#include <nav_msgs/Odometry.h>

#include <tf2/LinearMath/Quaternion.h>

#include <librealsense2/rs.hpp>

#include "datatf.h"

#define T265_STATE_CAPTURE_ENABLE 1

static uint8_t NCLink_Head[2]={0xFC,0xFF};//数据帧头

static uint8_t NCLink_End[2] ={0xA1,0xA2};//数据帧尾

uint8_t nclink_databuf[100];//待发送数据缓冲区

serial::Serial com;

geometry_msgs::Pose current_position;

geometry_msgs::Pose target_position;

geometry_msgs::Vector3 currrent_velocity;

std_msgs::Bool current_position_update_flag;

std_msgs::Bool target_position_update_flag;

void NCLink_Send_Currrent_State(float userdata1 ,float userdata2,

float userdata3 ,float userdata4,

float userdata5 ,float userdata6,

float userdata7 ,float userdata8,

float userdata9 ,float userdata10,

float quality ,

uint8_t byte0,

uint8_t byte1,

uint8_t byte2,

uint8_t byte3,

uint8_t byte4,

uint8_t byte5,

uint8_t byte6,

uint8_t byte7,

uint8_t update_flag,uint8_t msg_id)

{

uint8_t sum=0,_cnt=0,i=0;

nclink_databuf[_cnt++]=NCLink_Head[0];

nclink_databuf[_cnt++]=NCLink_Head[1];

nclink_databuf[_cnt++]=msg_id;

nclink_databuf[_cnt++]=0;

Float2Byte(&userdata1,nclink_databuf,_cnt);//position.x

_cnt+=4;

Float2Byte(&userdata2,nclink_databuf,_cnt);//position.y

_cnt+=4;

Float2Byte(&userdata3,nclink_databuf,_cnt);//position.z

_cnt+=4;

Float2Byte(&userdata4,nclink_databuf,_cnt);//velocity.x

_cnt+=4;

Float2Byte(&userdata5,nclink_databuf,_cnt);//velocity.y

_cnt+=4;

Float2Byte(&userdata6,nclink_databuf,_cnt);//velocity.z

_cnt+=4;

Float2Byte(&userdata7,nclink_databuf,_cnt);//quaternion.x

_cnt+=4;

Float2Byte(&userdata8,nclink_databuf,_cnt);//quaternion.y

_cnt+=4;

Float2Byte(&userdata9,nclink_databuf,_cnt);//quaternion.z

_cnt+=4;//28

Float2Byte(&userdata10,nclink_databuf,_cnt);//quaternion.w

_cnt+=4;//32

Float2Byte(&quality,nclink_databuf,_cnt);//quality

_cnt+=4;//32

nclink_databuf[_cnt++]=byte0;

nclink_databuf[_cnt++]=byte1;

nclink_databuf[_cnt++]=byte2;

nclink_databuf[_cnt++]=byte3;

nclink_databuf[_cnt++]=byte4;

nclink_databuf[_cnt++]=byte5;

nclink_databuf[_cnt++]=byte6;

nclink_databuf[_cnt++]=byte7;

nclink_databuf[_cnt++]=update_flag;

nclink_databuf[3] = _cnt-4;

for(i=0;i<_cnt;i++) sum ^= nclink_databuf[i];

nclink_databuf[_cnt++]=sum;

nclink_databuf[_cnt++]=NCLink_End[0];

nclink_databuf[_cnt++]=NCLink_End[1];

com.write(nclink_databuf,_cnt);

//ROS_INFO("%d",_cnt);

}

void serial_write_callback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)

{

ROS_INFO_STREAM("writing to serial port"<<msg->data);

com.write(msg->data);

}

#ifdef T265_STATE_CAPTURE_ENABLE

void t265_callback_internal(const geometry_msgs::PoseStamped::ConstPtr& msg)

{

ROS_INFO_STREAM("t265_callback_internal");

NCLink_Send_Currrent_State(msg->pose.position.x,

msg->pose.position.y,

msg->pose.position.z,

currrent_velocity.x,

currrent_velocity.y,

currrent_velocity.z,

msg->pose.orientation.x,

msg->pose.orientation.y,

msg->pose.orientation.z,

msg->pose.orientation.w,

100.0f,0x01,

0,1,2,3,4,5,6,7,

0x0D);

}

#endif

void t265_callback_external(const nav_msgs::Odometry::ConstPtr& msg)

{

ROS_INFO_STREAM("t265_callback_external");

NCLink_Send_Currrent_State(msg->pose.pose.position.y,

msg->pose.pose.position.x,

msg->pose.pose.position.z,

msg->twist.twist.linear.y,

msg->twist.twist.linear.x,

msg->twist.twist.linear.z,

-msg->pose.pose.orientation.y,

msg->pose.pose.orientation.z,

-msg->pose.pose.orientation.x,

msg->pose.pose.orientation.w,

100.0f,0x01,

0,1,2,3,4,5,6,7,

0x0D);

}

int main(int argc,char** argv)

{

ros::init(argc,argv,"serialport");

ros::NodeHandle n;

ros::Subscriber serial_write_sub=n.subscribe("serial_write",1000,serial_write_callback);

ros::Publisher serial_read_pub=n.advertise<std_msgs::String>("serial_write",1000);

ros::Subscriber t265_sub_external=n.subscribe("/camera/odom/sample",1000,t265_callback_external);

#ifdef T265_STATE_CAPTURE_ENABLE

ros::Subscriber t265_sub_innernal=n.subscribe("/t265/odom/sample",1000,t265_callback_internal);

ros::Publisher t265_pub=n.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>("/t265/odom/sample",1000);

rs2::pipeline pipe;

rs2::config cfg;

cfg.enable_stream(RS2_STREAM_POSE,RS2_FORMAT_6DOF);

pipe.start(cfg);

#endif

try

{

com.setPort("/dev/serial0");//("/dev/ttyUSB0");("/dev/ttyAMA0");

com.setBaudrate(921600);

serial::Timeout to=serial::Timeout::simpleTimeout(1000);

com.setTimeout(to);

com.open();

}

catch (serial::IOException& e)

{

ROS_ERROR_STREAM("unable to open port");

return -1;

}

if(com.isOpen())

{

ROS_INFO_STREAM("serial port is initialized");

}

else return -1;

ros::Rate loop_rate(100);

while(ros::ok())

{

if(com.available())

{

ROS_INFO_STREAM("read from serial port\n");

std_msgs::String result;

result.data=com.read(com.available());

ROS_INFO_STREAM("read: "<<result.data);

serial_read_pub.publish(result);

}

ros::spinOnce();

loop_rate.sleep();

#ifdef T265_STATE_CAPTURE_ENABLE

auto frames=pipe.wait_for_frames();

auto f=frames.first_or_default(RS2_STREAM_POSE);

auto pose_data=f.as<rs2::pose_frame>().get_pose_data();

//rs2_pose pose_data;

geometry_msgs::PoseStamped pmsg;

pmsg.pose.position.x=current_position.position.x=-pose_data.translation.x;

pmsg.pose.position.y=current_position.position.y=-pose_data.translation.z;

pmsg.pose.position.z=current_position.position.z=pose_data.translation.y;

currrent_velocity.x=-pose_data.velocity.x;

currrent_velocity.y=-pose_data.velocity.z;

currrent_velocity.z=pose_data.velocity.y;

pmsg.pose.orientation.x=pose_data.rotation.x;

pmsg.pose.orientation.y=pose_data.rotation.y;

pmsg.pose.orientation.z=pose_data.rotation.z;

pmsg.pose.orientation.w=pose_data.rotation.w;

t265_pub.publish(pmsg);

ROS_INFO("translation:%f %f %f",

pose_data.translation.x,

pose_data.translation.y,

pose_data.translation.z);

ROS_INFO("velocity:%f %f %f",

pose_data.velocity.x,

pose_data.velocity.y,

pose_data.velocity.z);

ROS_INFO("quad:%f %f %f %f",

pose_data.rotation.x,

pose_data.rotation.y,

pose_data.rotation.z,

pose_data.rotation.w);

#endif

}

飞控端解析代码如下：

void NCLink_Data_Prase_Process_Lite(uint8_t *data_buf,uint8_t num)//飞控数据解析进程

{

uint8_t sum = 0;

for(uint8_t i=0;i<(num-3);i++) sum ^= *(data_buf+i);

if(!(sum==*(data_buf+num-3))) return;//判断sum

if(!(*(data_buf)==NCLink_Head[1]&&*(data_buf+1)==NCLink_Head[0])) return;//判断帧头

if(!(*(data_buf+num-2)==NCLink_End[0]&&*(data_buf+num-1)==NCLink_End[1])) return;//帧尾校验

if(*(data_buf+2)==0X0A) //地面站控制移动数据

{

ngs_sdk.move_mode=*(data_buf+4),

ngs_sdk.mode_order=*(data_buf+5);

ngs_sdk.move_distance=(uint16_t)(*(data_buf+6)<<8)|*(data_buf+7);;

ngs_sdk.update_flag=true;

ngs_sdk.move_flag.sdk_front_flag=false;

ngs_sdk.move_flag.sdk_behind_flag=false;

ngs_sdk.move_flag.sdk_left_flag=false;

ngs_sdk.move_flag.sdk_right_flag=false;

ngs_sdk.move_flag.sdk_up_flag=false;

ngs_sdk.move_flag.sdk_down_flag=false;

if(*(data_buf+4)==SDK_FRONT)

{

ngs_sdk.move_flag.sdk_front_flag=true;

ngs_sdk.f_distance=ngs_sdk.move_distance;

}

else if(*(data_buf+4)==SDK_BEHIND)

{

ngs_sdk.move_flag.sdk_behind_flag=true;

ngs_sdk.f_distance=-ngs_sdk.move_distance;

}

else if(*(data_buf+4)==SDK_LEFT)

{

ngs_sdk.move_flag.sdk_left_flag=true;

ngs_sdk.f_distance=-ngs_sdk.move_distance;

}

else if(*(data_buf+4)==SDK_RIGHT)

{

ngs_sdk.move_flag.sdk_right_flag=true;

ngs_sdk.f_distance=ngs_sdk.move_distance;

}

else if(*(data_buf+4)==SDK_UP)

{

ngs_sdk.move_flag.sdk_up_flag=true;

ngs_sdk.f_distance=ngs_sdk.move_distance;

}

else if(*(data_buf+4)==SDK_DOWN)

{

ngs_sdk.move_flag.sdk_down_flag=true;

ngs_sdk.f_distance=-ngs_sdk.move_distance;

}

NCLink_Send_Check_Flag[8]=1;

Pilot_Status_Tick();

}

else if(*(data_buf+2)==0X0C)

{

Guide_Flight_Lng =((int32_t)(*(data_buf+4)<<24)|(*(data_buf+5)<<16)|(*(data_buf+6)<<8)|*(data_buf+7));

Guide_Flight_Lat =((int32_t)(*(data_buf+8)<<24)|(*(data_buf+9)<<16)|(*(data_buf+10)<<8)|*(data_buf+11));

Guide_Flight_Cnt++;;

Guide_Flight_Flag=1;

Pilot_Status_Tick();

}

else if(*(data_buf+2)==0X0D)

{

Byte2Float(data_buf,4,&current_state.position_x);

Byte2Float(data_buf,8,&current_state.position_y);

Byte2Float(data_buf,12,&current_state.position_z);

Byte2Float(data_buf,16,&current_state.velocity_x);

Byte2Float(data_buf,20,&current_state.velocity_y);

Byte2Float(data_buf,24,&current_state.velocity_z);

current_state.position_x*=100.0f;

current_state.position_y*=100.0f;

current_state.position_z*=100.0f;

current_state.velocity_x*=100.0f;

current_state.velocity_y*=100.0f;

current_state.velocity_z*=100.0f;

Byte2Float(data_buf,28,&current_state.q[0]);

Byte2Float(data_buf,32,&current_state.q[1]);

Byte2Float(data_buf,36,&current_state.q[2]);

Byte2Float(data_buf,40,&current_state.q[3]);

float _q[4];

_q[0]=current_state.q[3]*(1.0f);

_q[1]=current_state.q[0]*(1.0f);

_q[2]=current_state.q[2]*(-1.0f);

_q[3]=current_state.q[1]*(1.0f);

current_state.q[0]=_q[0];

current_state.q[1]=_q[1];

current_state.q[2]=_q[2];

current_state.q[3]=_q[3];

quad_getangle(current_state.q,current_state.rpy);

if(current_state.rpy[2]<0.0f) current_state.rpy[2]+=360.0f;

if(current_state.rpy[2]>360.0f) current_state.rpy[2]-=360.0f;

Byte2Float(data_buf,44,&current_state.quality);

current_state.update_flag=*(data_buf+48);

current_state.byte[0]=*(data_buf+49);

current_state.byte[1]=*(data_buf+50);

current_state.byte[2]=*(data_buf+51);

current_state.byte[3]=*(data_buf+52);

current_state.byte[4]=*(data_buf+53);

current_state.byte[5]=*(data_buf+54);

current_state.byte[6]=*(data_buf+55);

current_state.byte[7]=*(data_buf+56);

Pilot_Status_Tick();

Get_Systime(&nclink_t);

}

飞控IMU与VIO融合代码如下：

uint16_t VIO_Sync_Cnt=5;

float K_ACC_VIO=1.0f,K_VEL_VIO=5.0f,K_POS_VIO=1.0f;

void VIO_SLAM_INS_CF(void)

{

Vector2f speed_delta={0};

float obs_err[2];

if(current_state.update_flag==1)//存在数据光流更新时，20ms一次

{

opt_data.valid=1;

current_state.update_flag=0;

OpticalFlow_Position.x=current_state.position_x;

OpticalFlow_Position.y=current_state.position_y;

OpticalFlow_Speed.x =current_state.velocity_x;

OpticalFlow_Speed.y =current_state.velocity_y;

OpticalFlow_Speed_Err.x=OpticalFlow_Speed.x-VIO_SINS.Speed[_EAST];

OpticalFlow_Speed_Err.y=OpticalFlow_Speed.y-VIO_SINS.Speed[_NORTH];

OpticalFlow_Position_Err.x=OpticalFlow_Position.x-VIO_SINS.Pos_Backups[_EAST][VIO_Sync_Cnt];

OpticalFlow_Position_Err.y=OpticalFlow_Position.y-VIO_SINS.Pos_Backups[_NORTH][VIO_Sync_Cnt];

OpticalFlow_Speed_Err.x=OpticalFlow_Speed.x-VIO_SINS.Vel_Backups[_EAST][VIO_Sync_Cnt];

OpticalFlow_Speed_Err.y=OpticalFlow_Speed.y-VIO_SINS.Vel_Backups[_NORTH][VIO_Sync_Cnt];

OpticalFlow_Speed_Err.x=constrain_float(OpticalFlow_Speed_Err.x,-250,250);

OpticalFlow_Speed_Err.y=constrain_float(OpticalFlow_Speed_Err.y,-250,250);

}

obs_err[0]=OpticalFlow_Speed_Err.x;

obs_err[1]=OpticalFlow_Speed_Err.y;

//三路反馈量修正惯导

correct[0].acc +=obs_err[0]* K_ACC_VIO*0.005f;//加速度矫正量

correct[1].acc +=obs_err[1]* K_ACC_VIO*0.005f;//加速度矫正

correct[0].acc=constrain_float(correct[0].acc,-50,50);

correct[1].acc=constrain_float(correct[1].acc,-50,50);

correct[0].vel =obs_err[0]* K_VEL_VIO*0.005f;//速度矫正量

correct[1].vel =obs_err[1]* K_VEL_VIO*0.005f;//速度矫正量

correct[0].pos =obs_err[0]* K_POS_VIO*0.005f;//位置矫正量

correct[1].pos =obs_err[1]* K_POS_VIO*0.005f;//位置矫正量

acc.x=-Origion_NamelessQuad._Acceleration[_EAST];//惯导加速度沿载体横滚,机头左侧为正

acc.y= Origion_NamelessQuad._Acceleration[_NORTH];//惯导加速度沿载体机头,机头前向为正

VIO_SINS.Acceleration[_EAST] = acc.x+correct[0].acc;//惯导加速度沿载体横滚,机头左侧为正

VIO_SINS.Acceleration[_NORTH]= acc.y+correct[1].acc;//惯导加速度沿载体机头,机头前向为正

speed_delta.x=(VIO_SINS.Acceleration[_EAST])*0.005f;

speed_delta.y=(VIO_SINS.Acceleration[_NORTH])*0.005f;

VIO_SINS.Position[_EAST]+=VIO_SINS.Speed[_EAST]*0.005f+0.5f*speed_delta.x*0.005f+pos.x+correct[0].pos;

VIO_SINS.Position[_NORTH] +=VIO_SINS.Speed[_NORTH] *0.005f+0.5f*speed_delta.y*0.005f+pos.y+correct[1].pos;

VIO_SINS.Speed[_EAST]+=speed_delta.x+correct[0].vel;

VIO_SINS.Speed[_NORTH] +=speed_delta.y+correct[1].vel;

for(uint16_t i=Num-1;i>0;i--)

{

VIO_SINS.Pos_Backups[_NORTH][i]=VIO_SINS.Pos_Backups[_NORTH][i-1];

VIO_SINS.Pos_Backups[_EAST][i]=VIO_SINS.Pos_Backups[_EAST][i-1];

VIO_SINS.Vel_Backups[_NORTH][i]=VIO_SINS.Vel_Backups[_NORTH][i-1];

VIO_SINS.Vel_Backups[_EAST][i]=VIO_SINS.Vel_Backups[_EAST][i-1];

}

VIO_SINS.Pos_Backups[_NORTH][0]=VIO_SINS.Position[_NORTH];

VIO_SINS.Pos_Backups[_EAST][0]=VIO_SINS.Position[_EAST];

VIO_SINS.Vel_Backups[_NORTH][0]=VIO_SINS.Speed[_NORTH];

VIO_SINS.Vel_Backups[_EAST][0]=VIO_SINS.Speed[_EAST];

from_vio_to_body_frame(VIO_SINS.Position[_EAST],VIO_SINS.Position[_NORTH],

&OpticalFlow_SINS.Position[_EAST],&OpticalFlow_SINS.Position[_NORTH],

current_state.rpy[2]);

from_vio_to_body_frame(VIO_SINS.Speed[_EAST],VIO_SINS.Speed[_NORTH],

&OpticalFlow_SINS.Speed[_EAST],&OpticalFlow_SINS.Speed[_NORTH],

current_state.rpy[2]);

}

作者：无名创新 https://www.bilibili.com/read/cv14270245?spm_id_from=333.999.0.0 出处：bilibili

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