Week 7：前半学期复习与模拟练习
实验基本信息
- 课程：AI Robotics
- 主题：半学期复习——ROS2 命令、Python 节点、运动学、PID 控制
- 实验工具：ROS2 Humble / Jazzy、turtlesim、Python 3、rclpy
实验内容
本周主要复习前半学期内容，包括 ROS2 基本命令、Python 节点编程、机器人运动学、传感器、RViz 和 PID 控制。通过控制小乌龟走正方形轨迹，综合应用前半学期所学知识。
1. ROS2 常用命令复习
启动 turtlesim 仿真节点：
ros2 run turtlesim turtlesim_node
查看节点：
ros2 node list
查看话题：
ros2 topic list
监听位置信息：
ros2 topic echo /turtle1/pose
发布速度命令：
ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 1.0}, angular: {z: 0.0}}"
2. Python 节点练习
本周练习使用 Python 程序控制小乌龟走正方形。核心思路是利用 rclpy 创建 ROS2 节点，通过发布 cmd_vel 话题控制小乌龟沿正方形轨迹运动。
代码实现 (square_review.py)
import rclpy
from rclpy.node import Node
from geometry_msgs.msg import Twist
import time
class SquareReview(Node):
def __init__(self):
super().__init__('square_review')
self.publisher = self.create_publisher(Twist, '/turtle1/cmd_vel', 10)
def move(self, linear_x, angular_z, duration):
msg = Twist()
msg.linear.x = linear_x
msg.angular.z = angular_z
start = time.time()
while time.time() - start < duration:
self.publisher.publish(msg)
time.sleep(0.1)
self.publisher.publish(Twist())
time.sleep(0.3)
def run_square(self):
self.get_logger().info('Start square movement')
for i in range(4):
self.get_logger().info(f'Side {i + 1}: move forward')
self.move(1.0, 0.0, 2.0)
self.get_logger().info(f'Corner {i + 1}: turn left')
self.move(0.0, 1.0, 1.57)
self.get_logger().info('Square movement finished')
def main():
rclpy.init()
node = SquareReview()
time.sleep(1)
node.run_square()
node.destroy_node()
rclpy.shutdown()
if __name__ == '__main__':
main()
运行命令：
python3 square_review.py
程序会让小乌龟沿正方形轨迹行走 4 条边，每走完一条边后左转 90°（约 1.57 弧度）。
3. 运动学计算
已知左轮速度 0.5 m/s，右轮速度 1.5 m/s，轮间距 0.5 m。
线速度计算：
v = (v_left + v_right) / 2
v = (0.5 + 1.5) / 2 = 1.0 m/s
角速度计算：
ω = (v_right - v_left) / L
ω = (1.5 - 0.5) / 0.5 = 2.0 rad/s
这组参数下，机器人以 1.0 m/s 的线速度前进，同时以 2.0 rad/s 的角速度左转。通过调节左右轮速度差可以控制转向方向和幅度。
4. PID 控制复习
| 分量 | 含义 | 作用 |
|---|---|---|
| P（比例） | 根据当前误差调整输出 | 误差越大，修正力越强 |
| I（积分） | 根据历史误差累积进行修正 | 消除稳态误差 |
| D（微分） | 根据误差变化速度调整 | 减少震荡，提高稳定性 |
PID 是机器人运动控制最基础也最重要的算法之一，广泛应用于速度控制、轨迹跟踪等场景。
实验截图
小乌龟正方形轨迹
程序运行后小乌龟在 turtlesim 中走出正方形轨迹
程序运行后小乌龟在 turtlesim 中走出正方形轨迹
程序运行后小乌龟在 turtlesim 中走出正方形轨迹
程序运行后小乌龟在 turtlesim 中走出正方形轨迹
遇到的问题与解决
| 问题 | 原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 正方形轨迹不闭合 | 旋转角度未精确达到 90°（1.57 rad） | 调节 angular.z 和 duration 参数，使实际转角接近理论值 |
| 程序运行时小乌龟无响应 | ROS2 节点未正确初始化或话题连接未建立 | 在 rclpy.init() 后添加 time.sleep(1) 等待连接建立 |
| 重复运行后轨迹漂移 | turtlesim 未重置，小乌龟起始位置已变 | 每次运行前使用 rosservice call /reset 重置仿真 |
| PID 参数调优困难 | P/I/D 三者相互影响，手动调参效率低 | 先用纯 P 控制稳定，逐步加入 D（抑制震荡），最后加 I（消除静差） |
总结与反思
核心收获
- ROS2 编程全流程：从话题发布/订阅 → Python 节点编写 → 运动学计算 → PID 控制，前 6 周的知识在本周形成闭环
- 正方形轨迹的意义：看似简单的正方形，实际验证了线速度控制、角速度控制、时序管理、坐标变换四个核心能力
- PID 直观理解：P 是”现在”的修正力，I 是”过去”的经验累积，D 是”未来”的预判 — 三者配合才能实现平滑稳定的控制
延伸思考
正方形练习是机器人控制的”Hello World 升级版”。掌握了基础轨迹控制后，可以进一步挑战：
- 更复杂的几何图形（圆形、8 字形、螺旋）
- 引入 feedback（读取
/turtle1/pose）实现闭环控制 - 结合 Week12 的 ArUco 视觉定位，实现基于外部标记的精准导航