Robot Operating System——占据栅格地图（occupancy grid map）

应用场景

1. 机器人导航

场景描述

在机器人导航中，需要使用占据栅格地图来表示环境中的障碍物和自由空间。这对于实现机器人在环境中的路径规划和避障非常重要。

具体应用

• 路径规划：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 表示环境中的障碍物和自由空间，以便进行路径规划。例如，在机器人导航任务中，使用 OccupancyGrid 消息表示环境中的障碍物位置，以便规划从起点到终点的路径。
• 避障：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 表示环境中的障碍物位置，以便进行避障。例如，在机器人导航任务中，使用 OccupancyGrid 消息表示环境中的障碍物位置，以便机器人在导航过程中避开障碍物。

2. 环境建模

场景描述

在环境建模中，需要使用占据栅格地图来表示环境的结构和特征。这对于实现环境的精确建模和表示非常重要。

具体应用

• 环境表示：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 表示环境的结构和特征。例如，在机器人环境建模任务中，使用 OccupancyGrid 消息表示环境的结构和特征，以便进行环境建模和表示。
• 模型更新：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 更新环境模型。例如，在动态环境中，使用 OccupancyGrid 消息更新环境模型，以反映环境的变化。

3. 多机器人协作

场景描述

在多机器人协作中，需要使用占据栅格地图来共享环境信息和协作任务。这对于实现多机器人系统的协作和协调非常重要。

具体应用

• 环境共享：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 共享环境信息。例如，在多机器人协作任务中，使用 OccupancyGrid 消息共享环境中的障碍物和自由空间信息，以便多个机器人协作完成任务。
• 任务分配：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 进行任务分配。例如，在多机器人协作任务中，使用 OccupancyGrid 消息表示环境中的任务位置，以便多个机器人协作完成任务。

4. 仿真环境

场景描述

在仿真环境中，需要使用占据栅格地图来表示仿真环境的结构和特征。这对于实现仿真环境中的精确计算和模拟非常重要。

具体应用

• 环境仿真：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 表示仿真环境的结构和特征。例如，在机器人仿真任务中，使用 OccupancyGrid 消息表示仿真环境的结构和特征，以便进行环境仿真和模拟。
• 状态仿真：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 表示仿真环境中的状态信息。例如，在机器人仿真任务中，使用 OccupancyGrid 消息表示仿真环境中的状态信息，以便进行状态仿真和模拟。

5. 传感器数据处理

场景描述

在传感器数据处理中，需要使用占据栅格地图来表示传感器的测量结果。这对于实现传感器数据的精确处理和融合非常重要。

具体应用

• 测量结果表示：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 表示传感器的测量结果。例如，在激光雷达数据处理任务中，使用 OccupancyGrid 消息表示激光雷达的测量结果，以便进行数据处理和融合。
• 数据融合：使用 nav_msgs::msg::OccupancyGrid 融合多传感器数据。例如，在多传感器数据融合任务中，使用 OccupancyGrid 消息融合多个传感器的数据，以提高数据的精度和可靠性。

定义

namespace nav_msgs
{
namespace msg
{

struct OccupancyGrid
{
  std_msgs::msg::Header header;
  nav_msgs::msg::MapMetaData info;
  std::vector<int8_t> data;
};

}  // namespace msg
}  // namespace nav_msgs

字段解释

• header：消息头，包含时间戳和坐标系信息。
• info：地图的元数据，包含地图的分辨率、宽度、高度和原点位置等信息。
• data：实际的栅格数据，每个栅格单元包含一个值，表示该单元被占据的概率（-1 表示未知，0 表示空闲，100 表示占据）。

案例

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "nav_msgs/msg/occupancy_grid.hpp"
#include "geometry_msgs/msg/pose.hpp"
#include "std_msgs/msg/header.hpp"
#include "builtin_interfaces/msg/time.hpp"

class OccupancyGridPublisher : public rclcpp::Node
{
public:
  OccupancyGridPublisher() : Node("occupancy_grid_publisher")
  {
    publisher_ = this->create_publisher<nav_msgs::msg::OccupancyGrid>("occupancy_grid_topic", 10);
    timer_ = this->create_wall_timer(
      500ms, std::bind(&OccupancyGridPublisher::publish_occupancy_grid, this));
  }

private:
  void publish_occupancy_grid()
  {
    auto message = nav_msgs::msg::OccupancyGrid();
    message.header.stamp = this->now();
    message.header.frame_id = "map";

    // 设置地图的元数据
    message.info.map_load_time = this->now();
    message.info.resolution = 0.05;  // 每个栅格单元的大小为 0.05 米
    message.info.width = 100;        // 地图的宽度为 100 个栅格单元
    message.info.height = 100;       // 地图的高度为 100 个栅格单元

    // 设置地图的原点位置
    message.info.origin.position.x = 0.0;
    message.info.origin.position.y = 0.0;
    message.info.origin.position.z = 0.0;
    message.info.origin.orientation.x = 0.0;
    message.info.origin.orientation.y = 0.0;
    message.info.origin.orientation.z = 0.0;
    message.info.origin.orientation.w = 1.0;

    // 设置栅格数据
    message.data.resize(message.info.width * message.info.height, -1);  // 初始化为未知状态
    for (size_t i = 0; i < message.data.size(); ++i)
    {
      if (i % 2 == 0)
      {
        message.data[i] = 0;  // 偶数索引设置为空闲状态
      }
      else
      {
        message.data[i] = 100;  // 奇数索引设置为占据状态
      }
    }

    publisher_->publish(message);
  }

  rclcpp::Publisher<nav_msgs::msg::OccupancyGrid>::SharedPtr publisher_;
  rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  rclcpp::init(argc, argv);
  rclcpp::spin(std::make_shared<OccupancyGridPublisher>());
  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}