树莓派4b配置ubuntu20.04系统，搭载SG90舵机和HC-SR04超声波使用ros来实现地图构建

<think>嗯，用户想用树莓派4B配置Ubuntu 20.04系统，然后搭载SG90舵机和HC-SR04超声波传感器，通过ROS实现地图构建。首先，我需要理清楚整个流程的步骤，确保每个环节都正确无误。 首先，系统安装部分。树莓派4B通常用的是树莓派官方系统，但用户需要Ubuntu 20.04。我记得Ubuntu有专门为树莓派提供的版本，可能需要从官网下载镜像，然后烧录到SD卡。这里要注意的是，树莓派4B的架构是ARM64，所以必须选择对应的镜像。烧录完成后，首次启动可能需要通过SSH连接，尤其是没有显示器的用户，可能需要配置网络。 接下来是ROS的安装。Ubuntu 20.04对应的ROS版本是Noetic，这是支持到2025年的版本。安装步骤大致是添加ROS仓库、安装完整版、初始化rosdep，然后配置环境变量。用户可能对ROS的依赖管理不太熟悉，所以需要详细说明每个命令，特别是rosdep init和update可能会遇到的网络问题，可能需要更换源或者使用代理。 然后是硬件连接部分。SG90舵机需要PWM控制，而HC-SR04超声波模块通常使用GPIO引脚触发和回波。树莓派的GPIO引脚分配需要正确，可能要通过GPIO库来控制。这里要注意的是，树莓派的Ubuntu系统可能默认没有安装GPIO库，比如RPi.GPIO或者pigpio，需要用户手动安装。此外，舵机的电压需求，树莓派的GPIO输出是3.3V，而SG90可能需要5V，可能需要外部电源，否则可能会供电不足，导致舵机无法正常工作或者损坏树莓派。 接下来是创建ROS包和编写驱动节点。需要创建一个工作空间，然后使用catkin_create_pkg来生成包，依赖可能包括roscpp、rospy、std_msgs、sensor_msgs等。驱动节点需要发布超声波测量的距离数据，以及控制舵机旋转。这里可能需要用到Python的RPi.GPIO库，或者C++的版本，但Python可能更容易上手。需要注意的是，舵机的角度控制，SG90的PWM周期是20ms，脉冲宽度对应0.5ms到2.5ms，对应0到180度。所以需要计算占空比。而超声波模块的触发信号需要至少10us的高电平，然后测量回波高电平的时间，计算距离。这些时序控制需要精确，可能要用到time模块或者ros的定时器。 SLAM部分，ROS中常用的激光雷达SLAM算法如gmapping，但用户用的是超声波，可能需要将超声波数据转换成激光雷达的格式，比如sensor_msgs/LaserScan。这时候需要编写一个节点，将超声波在不同角度下的距离数据组合成LaserScan消息，可能需要舵机旋转扫描，同时记录每个角度对应的距离。这里舵机的转动步进角度需要合理设置，比如每5度停一次，测量一次距离，这样模拟激光雷达的扫描。但超声波的数据点较少，构建地图的效果可能不如激光雷达好，需要用户有心理预期。 最后是启动和测试，需要编写launch文件，同时启动驱动节点和SLAM节点，然后保存地图。可能需要提醒用户调整参数，比如扫描频率、角度分辨率等，以优化地图构建效果。 潜在的问题可能包括：硬件连接错误、GPIO权限问题（需要用户加入gpio组）、PWM信号不稳定、超声波模块的测量误差、SLAM算法对稀疏数据的处理不佳等。需要指导用户如何排查这些问题，比如检查接线、使用rostopic echo查看数据是否正常，调整舵机转速和测量间隔等。 另外，用户可能没有提到的是供电问题，同时驱动舵机和超声波可能需要较大的电流，树莓派的USB端口可能无法提供足够电力，建议使用外部电源，尤其是舵机工作时可能会引起电压波动，导致树莓派重启。需要提醒用户使用稳压电源或者独立的5V电源给舵机供电，同时共地。 总结下来，步骤大致是：安装系统→安装ROS→连接硬件→编写驱动节点→转换数据格式→运行SLAM→测试调整。需要分步骤详细说明，确保用户能逐步操作，并注意可能遇到的坑。</think>以下为树莓派4B配置Ubuntu 20.04系统，结合SG90舵机和HC-SR04超声波模块实现ROS地图构建的分步指南： --- ### **一、系统环境搭建** #### 1. 安装Ubuntu 20.04 Server - 下载镜像：从[Ubuntu Raspberry Pi镜像库](https://ubuntu.com/download/raspberry-pi)获取`ubuntu-20.04.5-preinstalled-server-arm64+raspi.img.xz` - 烧录系统：使用`Raspberry Pi Imager`或`dd`命令写入SD卡 - 首次启动后通过SSH连接： ```bash ssh ubuntu@<树莓派IP> # 默认密码为"ubuntu"，需首次登录后修改 ``` #### 2. 安装ROS Noetic ```bash sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu focal main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list' sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654 sudo apt update sudo apt install ros-noetic-desktop-full echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc source ~/.bashrc sudo rosdep init && rosdep update ``` --- ### **二、硬件连接配置** #### 1. 引脚分配 | 模块 | 树莓派引脚 | 说明 | |-------------|------------|----------------------| | HC-SR04 Trig| GPIO17 | 超声波触发信号 | | HC-SR04 Echo| GPIO27 | 超声波回波信号 | | SG90 PWM | GPIO18 | 舵机控制信号(PWM) | | SG90 GND | GND | 共用接地 | | SG90 VCC | 外部5V电源 | 避免树莓派供电不足 | > 📌 注意：建议为舵机单独供电，树莓派GPIO最大输出电流为16mA --- ### **三、ROS驱动开发** #### 1. 创建工作空间 ```bash mkdir -p ~/ultrasonic_ws/src cd ~/ultrasonic_ws/src catkin_create_pkg ultrasonic_driver rospy std_msgs sensor_msgs ``` #### 2. 编写舵机控制节点 `servo_control.py` ```python #!/usr/bin/env python3 import rospy from std_msgs.msg import Float32 import RPi.GPIO as GPIO GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(18, GPIO.OUT) pwm = GPIO.PWM(18, 50) # 50Hz PWM频率 pwm.start(0) def set_angle(angle): duty = angle / 18 + 2.5 # SG90角度转占空比公式 pwm.ChangeDutyCycle(duty) rospy.sleep(0.5) if __name__ == '__main__': rospy.init_node('servo_controller') for angle in range(0, 181, 10): # 0-180度步进扫描 set_angle(angle) ``` #### 3. 编写超声波驱动节点 `ultrasonic_node.py` ```python #!/usr/bin/env python3 import rospy from sensor_msgs.msg import Range import RPi.GPIO as GPIO import time GPIO.setmode(GPIO.BCM) TRIG = 17 ECHO = 27 def get_distance(): GPIO.output(TRIG, True) time.sleep(0.00001) GPIO.output(TRIG, False) while GPIO.input(ECHO) == 0: pulse_start = time.time() while GPIO.input(ECHO) == 1: pulse_end = time.time() return (pulse_end - pulse_start) * 17150 # 计算距离(cm) if __name__ == '__main__': rospy.init_node('ultrasonic_sensor') pub = rospy.Publisher('ultrasonic_data', Range, queue_size=10) msg = Range(radiation_type=Range.ULTRASOUND, field_of_view=0.26) while not rospy.is_shutdown(): msg.range = get_distance() pub.publish(msg) rospy.sleep(0.1) ``` --- ### **四、SLAM实现** #### 1. 安装必要功能包 ```bash sudo apt install ros-noetic-gmapping ros-noetic-map-server ``` #### 2. 创建激光数据转换节点 将超声波数据转换为`LaserScan`格式： ```python # laserscan_converter.py from sensor_msgs.msg import LaserScan import rospy class ScanConverter: def __init__(self): self.scan_pub = rospy.Publisher('/scan', LaserScan, queue_size=10) self.current_angle = 0 def ultrasonic_callback(self, data): scan = LaserScan() scan.header.stamp = rospy.Time.now() scan.header.frame_id = "laser" scan.angle_min = -3.14 scan.angle_max = 3.14 scan.range_min = 0.02 scan.range_max = 4.0 scan.ranges = [data.range] # 简化为单点扫描 self.scan_pub.publish(scan) ``` #### 3. 启动SLAM 创建`mapping.launch`： ```xml <launch> <node pkg="ultrasonic_driver" type="servo_control.py" name="servo"/> <node pkg="ultrasonic_driver" type="ultrasonic_node.py" name="ultrasonic"/> <node pkg="ultrasonic_driver" type="laserscan_converter.py" name="scan_converter"/> <node pkg="gmapping" type="slam_gmapping" name="slam"> <param name="delta" value="0.05"/> <param name="maxUrange" value="4.0"/> </node> </launch> ``` --- ### **五、运行与测试** ```bash roslaunch ultrasonic_driver mapping.launch # 新终端中启动RViz观察地图 rosrun rviz rviz -d `rospack find nav2d_karto`/rviz/navigation.rviz # 保存最终地图 rosrun map_server map_saver -f ~/ultrasonic_map ``` --- ### **常见问题处理** 1. **GPIO权限问题**： ```bash sudo usermod -a -G gpio $USER sudo reboot ``` 2. **超声波数据不稳定**： - 增加软件滤波：连续采样5次取中值 - 确保测量环境无强声波干扰 3. **地图精度优化**： - 降低舵机步进角度（改为5°） - 调整gmapping参数： ```xml <param name="angularUpdate" value="0.1"/> <param name="linearUpdate" value="0.1"/> ``` > 💡 提示：超声波SLAM适用于小范围环境（<4m），建议结合IMU数据提升建图精度