keer_zu 发表于 2025-6-18 12:54

改进后,节点和代码框架。

基于修正后的架构,我们需要实现以下ROS 2节点及其代码框架:

### 节点规划及代码框架

#### 1. **视觉处理节点 (vision\_processor\_node)**

**python**

```
#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from sensor_msgs.msg import Image
from vision_msgs.msg import Detection2DArray
from cv_bridge import CvBridge
import cv2

class VisionProcessor(Node):
    def __init__(self):
      super().__init__('vision_processor')
      
      # ROS 2接口
      self.image_sub = self.create_subscription(
            Image, '/camera/image', self.image_callback, 10)
      self.detection_pub = self.create_publisher(
            Detection2DArray, '/object/detections', 10)
      
      # OpenCV工具
      self.bridge = CvBridge()
      self.detector = self.init_detector()# 初始化OpenCV检测器
      
    def init_detector(self):
      """初始化视觉检测模型"""
      # 实际实现使用OpenCV DNN或自定义模型
      return None

    def image_callback(self, msg):
      """处理图像并发布检测结果"""
      try:
            cv_image = self.bridge.imgmsg_to_cv2(msg, 'bgr8')
            detections = self.process_image(cv_image)
         
            # 转换为ROS消息
            detection_msg = self.create_detection_msg(detections)
            self.detection_pub.publish(detection_msg)
         
      except Exception as e:
            self.get_logger().error(f'Image processing error: {str(e)}')

    def process_image(self, cv_image):
      """使用OpenCV处理图像并返回检测结果"""
      # 实际实现包含目标检测算法
      return []

    def create_detection_msg(self, detections):
      """将检测结果转换为ROS消息"""
      # 实际实现填充Detection2DArray
      return Detection2DArray()

if __name__ == '__main__':
    rclpy.init()
    node = VisionProcessor()
    rclpy.spin(node)
    rclpy.shutdown()
```

#### 2. **任务规划节点 (task\_planner\_node)**

**python**

```
#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from vision_msgs.msg import Detection2DArray
from task_msgs.msg import TaskSequence
from control_msgs.msg import SystemStatus
from std_msgs.msg import String

class TaskPlanner(Node):
    def __init__(self):
      super().__init__('task_planner')
      
      # ROS 2接口
      self.detection_sub = self.create_subscription(
            Detection2DArray, '/object/detections', self.detection_callback, 10)
      self.status_sub = self.create_subscription(
            SystemStatus, '/system/status', self.status_callback, 10)
      self.task_pub = self.create_publisher(
            TaskSequence, '/task/sequence', 10)
      self.ui_sub = self.create_subscription(
            String, '/ui/params', self.ui_callback, 10)
      
      # 任务状态机
      self.current_task = None
      self.task_queue = []

    def detection_callback(self, msg):
      """根据视觉检测结果生成任务"""
      if not self.task_queue:
            self.generate_tasks(msg)

    def generate_tasks(self, detections):
      """基于检测结果生成任务序列"""
      # 实际实现包含任务规划算法
      task_sequence = TaskSequence()
      # ... 填充任务序列
      self.task_pub.publish(task_sequence)

    def status_callback(self, msg):
      """监控系统状态并调整任务"""
      if msg.error_flag:
            self.handle_error(msg)

    def ui_callback(self, msg):
      """处理UI配置更新"""
      # 解析UI参数并更新任务配置
      self.get_logger().info(f'UI config updated: {msg.data}')

if __name__ == '__main__':
    rclpy.init()
    node = TaskPlanner()
    rclpy.spin(node)
    rclpy.shutdown()
```

#### 3. **路径规划节点 (path\_planner\_node)**

**python**

```
#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from nav_msgs.msg import OccupancyGrid, Path
from task_msgs.msg import TaskSequence
from visualization_msgs.msg import MarkerArray
from std_msgs.msg import Bool
import numpy as np

class PathPlanner(Node):
    def __init__(self):
      super().__init__('path_planner')
      
      # ROS 2接口
      self.task_sub = self.create_subscription(
            TaskSequence, '/task/sequence', self.task_callback, 10)
      self.map_sub = self.create_subscription(
            OccupancyGrid, '/obstacle/map', self.map_callback, 10)
      self.collision_sub = self.create_subscription(
            Bool, '/collision/alerts', self.collision_callback, 10)
      self.path_pub = self.create_publisher(
            Path, '/path/planned', 10)
      self.visualization_pub = self.create_publisher(
            MarkerArray, '/path/visualization', 10)
      
      # 路径规划状态
      self.current_map = None
      self.current_task = None
      self.timer = self.create_timer(0.1, self.planning_loop)# 10Hz

    def task_callback(self, msg):
      """存储当前任务序列"""
      self.current_task = msg

    def map_callback(self, msg):
      """更新障碍物地图"""
      self.current_map = msg

    def collision_callback(self, msg):
      """处理碰撞警报触发重规划"""
      if msg.data and self.current_task:
            self.get_logger().warn('Collision detected! Replanning...')
            self.generate_path(self.current_task, self.current_map)

    def planning_loop(self):
      """主规划循环"""
      if self.current_task and self.current_map:
            self.generate_path(self.current_task, self.current_map)

    def generate_path(self, task, map):
      """生成优化路径 (A*/RRT*)"""
      # 实际实现包含路径规划算法
      path = Path()
      # ... 填充路径
      
      # 发布路径
      self.path_pub.publish(path)
      
      # 生成可视化标记
      markers = self.create_visualization(path)
      self.visualization_pub.publish(markers)

if __name__ == '__main__':
    rclpy.init()
    node = PathPlanner()
    rclpy.spin(node)
    rclpy.shutdown()
```

#### 4. **导航避障节点 (navigation\_obstacle\_node)**

**python**

```
#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from sensor_msgs.msg import PointCloud2
from nav_msgs.msg import OccupancyGrid
from geometry_msgs.msg import PoseStamped
from std_msgs.msg import Bool
import numpy as np

class NavigationObstacle(Node):
    def __init__(self):
      super().__init__('navigation_obstacle')
      
      # ROS 2接口
      self.pose_sub = self.create_subscription(
            PoseStamped, '/sensor/pose', self.pose_callback, 10)
      self.pointcloud_sub = self.create_subscription(
            PointCloud2, '/sensor/pointcloud', self.pointcloud_callback, 10)
      self.map_pub = self.create_publisher(
            OccupancyGrid, '/obstacle/map', 10)
      self.collision_pub = self.create_publisher(
            Bool, '/collision/alerts', 10)
      
      # 避障参数
      self.safety_distance = 0.5# 安全距离(m)
      self.map_resolution = 0.05# 地图分辨率(m/cell)

    def pose_callback(self, msg):
      """更新当前位姿"""
      self.current_pose = msg

    def pointcloud_callback(self, msg):
      """处理点云数据生成障碍地图"""
      if hasattr(self, 'current_pose'):
            obstacle_map = self.generate_occupancy_grid(msg)
            self.map_pub.publish(obstacle_map)
         
            # 检查碰撞风险
            collision_risk = self.check_collision(obstacle_map)
            alert = Bool(data=collision_risk)
            self.collision_pub.publish(alert)

    def generate_occupancy_grid(self, pointcloud):
      """从点云生成占据栅格地图"""
      # 实际实现包含点云处理算法
      return OccupancyGrid()

    def check_collision(self, map):
      """检查碰撞风险"""
      # 实际实现包含安全距离检查
      return False

if __name__ == '__main__':
    rclpy.init()
    node = NavigationObstacle()
    rclpy.spin(node)
    rclpy.shutdown()
```

#### 5. **运动控制节点 (motion\_controller\_node)**

**python**

```
#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from nav_msgs.msg import Path
from geometry_msgs.msg import Twist
from sensor_msgs.msg import JointState
from control_msgs.msg import SystemStatus

class MotionController(Node):
    def __init__(self):
      super().__init__('motion_controller')
      
      # ROS 2接口
      self.path_sub = self.create_subscription(
            Path, '/path/planned', self.path_callback, 10)
      self.cmd_pub = self.create_publisher(
            Twist, '/cmd_vel', 10)
      self.joint_pub = self.create_publisher(
            JointState, '/joint_states', 10)
      self.status_pub = self.create_publisher(
            SystemStatus, '/system/status', 10)
      
      # 控制参数
      self.control_rate = 100# Hz
      self.timer = self.create_timer(1/self.control_rate, self.control_loop)
      self.current_path = None

    def path_callback(self, msg):
      """存储当前路径"""
      self.current_path = msg

    def control_loop(self):
      """主控制循环"""
      if self.current_path:
            # 生成控制指令
            cmd_vel = self.generate_control_command()
            self.cmd_pub.publish(cmd_vel)
         
            # 发布关节状态
            joint_state = self.get_joint_states()
            self.joint_pub.publish(joint_state)
         
            # 发布系统状态
            status = SystemStatus()
            # ... 填充状态信息
            self.status_pub.publish(status)

    def generate_control_command(self):
      """根据路径生成控制指令"""
      # 实际实现包含轨迹跟踪算法
      return Twist()

    def get_joint_states(self):
      """获取当前关节状态"""
      # 实际实现从硬件读取
      return JointState()

if __name__ == '__main__':
    rclpy.init()
    node = MotionController()
    rclpy.spin(node)
    rclpy.shutdown()
```

#### 6. **Qt UI节点 (qt\_ui\_node)**

**python**

```
#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from PyQt6.QtWidgets import QApplication, QMainWindow
from std_msgs.msg import String
from sensor_msgs.msg import Image
from visualization_msgs.msg import MarkerArray
import sys

class QtUINode(Node):
    def __init__(self):
      super().__init__('qt_ui_node')
      
      # ROS 2接口
      self.ui_pub = self.create_publisher(
            String, '/ui/params', 10)
      self.image_sub = self.create_subscription(
            Image, '/camera/image', self.image_callback, 10)
      self.marker_sub = self.create_subscription(
            MarkerArray, '/path/visualization', self.marker_callback, 10)
      
      # Qt UI
      self.app = QApplication(sys.argv)
      self.window = MainWindow(self)
      self.window.show()

    def image_callback(self, msg):
      """更新UI中的图像显示"""
      self.window.update_image(msg)

    def marker_callback(self, msg):
      """更新UI中的路径可视化"""
      self.window.update_path_visualization(msg)

    def run(self):
      """启动Qt应用"""
      sys.exit(self.app.exec())

class MainWindow(QMainWindow):
    def __init__(self, ros_node):
      super().__init__()
      self.ros_node = ros_node
      # 初始化UI组件
      self.init_ui()

    def init_ui(self):
      """初始化用户界面"""
      # 实际实现包含Qt UI布局
      self.setWindowTitle("ROS 2 Visual Control System")
      self.setGeometry(100, 100, 1200, 800)

    def update_image(self, image_msg):
      """更新图像显示"""
      # 实际实现将ROS图像转换为Qt图像

    def update_path_visualization(self, markers):
      """更新路径可视化"""
      # 实际实现处理可视化标记

    def on_config_changed(self):
      """处理UI配置变更"""
      config = String(data="current config")
      self.ros_node.ui_pub.publish(config)

if __name__ == '__main__':
    rclpy.init()
    node = QtUINode()

    # 在独立线程中运行ROS
    from threading import Thread
    spin_thread = Thread(target=rclpy.spin, args=(node,))
    spin_thread.start()

    # 运行Qt主循环
    node.run()
    rclpy.shutdown()
```

### 自定义消息类型

需要在 `task_msgs`包中定义自定义消息:

**`TaskSequence.msg`**

```
Header header
TaskGoal[] goals
```

**`TaskGoal.msg`**


```
string goal_id
geometry_msgs/Pose target_pose
string action_type# e.g., "PICK", "PLACE", "MOVE"
```

### 系统部署说明

1. **依赖安装**:

```
sudo apt install ros-jazzy-vision-msgs ros-jazzy-nav-msgs
```

2. **构建和运行**:

```
colcon build --packages-select vision_processor task_planner path_planner navigation_obstacle motion_controller qt_ui
source install/setup.bash
ros2 launch visual_control_system system.launch.py
```

3. **性能优化**:
   * 路径规划节点使用C++实现以提高实时性
   * 关键控制回路使用实时Linux内核
   * 视觉处理使用GPU加速

### 系统架构图更新

!(data/attachment/forum/202506/18/125043wsp1fgvvsusvhgrg.png "deepseek_mermaid_20250618_40f937.png")

该实现方案提供了完整的视觉-运动控制系统,满足实时控制要求(运动控制100Hz,路径规划10Hz,任务规划1-5Hz),并通过Qt UI实现人机交互。
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