C6. Simulation 模擬 #
補充資料：了解更多有關 TurtleBot3 Simulation。 #
TurtleBot3 支持模擬開發環境，可以在模擬中使用虛擬機器人進行編程開發。有兩種開發環境可以做到這一點，一種是使用帶有 3D 可視化工具 RViz 的假節點 fake node；另一種是使用 3D 機器人模擬器 Gazebo。
- 假節點 fake node 模擬，適合用來測試機器人模型和移動，但它不支援感測器。
- 如果需要執行 SLAM 或 Navigation，Gazebo 模擬器會是一個可行的解決方案，因為它支持 IMU、LDS 和攝影機等感測器。
在本教程中，將主要介紹在 ROS 開發人員中使用最廣泛的 Gazebo 模擬器。
- Gazebo 教學 (https://gazebosim.org/docs/harmonic/tutorials/)
C6.1. Gazebo Simulation #
Gazebo 模擬是使用 ros-gz 套件，ROS2 Jazzy 的 Gazebo 版本需要事前安裝，以便執行本章的指令。
C6.1.1. 安裝 Simulation Package #
TurtleBot3 Simulation Package 需要 turtlebot3 及 turtlebot3_msgs packages 為先決條件。沒有安裝這兩個 packages，則無法啟動 Simulation。
如果還沒有安裝所需 packages，可參照 Chap3.1. PC 設定章節來安裝。
[Remote PC]
$ cd ~/turtlebot3_ws/src/
$ git clone -b jazzy https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_simulations.git
$ cd ~/turtlebot3_ws && colcon build --symlink-install
C6.1.2. 啟動 Simulation World 世界地圖 #
TB3 有三種模擬的世界地圖可選擇。啟動 Gazebo 時可以任選其一。
1. Empty World 空白世界地圖
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ ros2 launch turtlebot3_gazebo empty_world.launch.py
2. TurtleBot3 World TB3 世界地圖
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=waffle
$ ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch.py
3. TurtleBot3 House 房屋地圖
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=waffle_pi
$ ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_house.launch.py
C6.1.3. 操作 TB3 #
為了使用鍵盤來控制 TB3，需在新的 terminal 啟動 teleoperation node。
[Remote PC]
$ ros2 run turtlebot3_teleop teleop_keyboard
補充資料：了解更多有關 如何可視化 Simulation data(RViz2)。 #
當 simulation 進行時，在 RViz2 中能夠可視化已公布的 topics。你可在新的 terminal 啟動 RViz2。
[Remote PC]
$ ros2 launch turtlebot3_bringup rviz2.launch.py
C6.2. SLAM 模擬 #
Gazebo 模擬器具有 SLAM 功能，你可在虛擬世界地圖中，選擇或建立不同的環境及機器人模型，而無須使用實體的機器人來實作。除了要準備模擬環境，而不需啟動實體機器人外，SLAM 模擬，跟使用實體 TB3 來實作 SLAM 是非常相似的。
下列操作會需要之前章節為先決條件，請回看之前的 Simulation 章節內容。
C6.2.1. 開啟 Simulation World 世界地圖 #
Gazebo 有三個世界地圖可開啟，但因要用 SLAM 來建圖，建議使用 TurtleBot3 World 或 TurtleBot3 House 地圖。
使用下列指令來載入 Gazebo 模擬器。本章會使用 TurtleBot3 World 世界地圖。也請注意 TURTLEBOT3_MODEL 參數，要指定所對應的 TB3 模型 (burger, waffle, waffle_pi)
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch.py
補充資料：了解更多有關 如何載入 TurtleBot3 House 房屋地圖。 #
TURTLEBOT3_MODEL 參數，要指定所對應的 TB3 模型 (burger, waffle, waffle_pi)。
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_house.launch.py
C6.2.2. 執行 SLAM Node #
在 Remote PC 開新 terminal(Ctrl + Alt + T) 並跑 SLAM node。預設是使用 Cartographer SLAM 方法。也請注意 TURTLEBOT3_MODEL 參數，要指定所對應的 TB3 模型 (burger, waffle, waffle_pi)
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ ros2 launch turtlebot3_cartographer cartographer.launch.py use_sim_time:=True
C6.2.3. 執行 Teleoperation Node #
在 Remote PC 開新 terminal(Ctrl + Alt + T) 並跑 teleoperation node。也請注意 TURTLEBOT3_MODEL 參數，要指定所對應的 TB3 模型 (burger, waffle, waffle_pi)
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ ros2 run turtlebot3_teleop teleop_keyboard
Control Your TurtleBot3!
---------------------------
Moving around:
w
a s d
x
w/x : increase/decrease linear velocity
a/d : increase/decrease angular velocity
space key, s : force stop
CTRL-C to quit
C6.2.4. 儲存地圖 #
當地圖成功產生後，在 Remote PC 開新 terminal(Ctrl + Alt + T) 並儲存地圖。
[Remote PC]
$ ros2 run nav2_map_server map_saver_cli -f ~/map
C6.3. Navigation Simulation 模擬導航 #
就如在 Gazebo 模擬器跑虛擬 SLAM，你也可以進行虛擬導航 virtual Navigation，而無須使用實體的機器人來實作。當然在跑 virtual Navigation 前，必須準備好完整合適的地圖環境。虛擬導航跟實作真實導航會很相似。
C6.3.1. 開啟模擬的世界地圖 #
在之前 SLAM 章節，使用 TurtleBot3 World 世界地圖來建地圖。相同的 Gazebo 環境也被使用在模擬 Navigation。
也請注意 TURTLEBOT3_MODEL 參數，要指定所對應的 TB3 模型 (burger, waffle, waffle_pi)
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch.py
補充資料：了解更多有關 如何載入 TurtleBot3 House 房屋地圖。 #
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_house.launch.py
C6.3.2. 執行 Navigation Node #
在 Remote PC 開新 terminal(Ctrl + Alt + T) 並跑 Navigation2 node。
[Remote PC]
$ export TURTLEBOT3_MODEL=burger
$ ros2 launch turtlebot3_navigation2 navigation2.launch.py use_sim_time:=True map:=$HOME/map.yaml
C6.3.3. 估計 Initial Pose 初始方位 #
Initial Pose Estimation 必須在跑 Navigation 之前就執行，因為這個程序會初始化 AMCL 參數，這參數對成功的 Navigation 很重要。TurtleBot3 必須正確定位在地圖上，LDS 感測器數據，要與顯示的地圖正確地重疊。
1. 點擊 RViz2 選單的 2D Pose Estimate 鍵
2. 在地圖上點擊真正機器人的所在位置，然後拉出大的綠色箭號，並指向機器人正面的方向。
3. 重複步驟 1 跟 2，直到 LDS 感測器的數據，跟儲存的地圖正確的重疊。
4. 啟動 keyboard teleoperation node 遙控節點，以便準確定位在地圖上的機器人位置
[Remote PC]
$ ros2 run turtlebot3_teleop teleop_keyboard
5. 來回一點一點移動機器人，以收集周圍環境資訊，和縮小 TurtleBot3 在地圖上的估計位置(地圖上是以小的綠色箭頭來顯示 TB3)。
6. 在 teleop node 視窗，按 Ctrl + C 來結束 keyboard teleoperation node，這可以防止在導航期間，從多個節點發布不同的 cmd_vel 值。
C6.3.4. Set Navigation Goal 設定導航目標 #
1. 在 RViz2 選單點擊 Navigation2 Goal 鍵
2. 在地圖上點擊來設定機器人的目的地，並拉出綠色箭號，作為機器人抵達目的地後要面對的方向
- 綠色箭號是一個 marker 標記，是指定機器人的目的地
- 箭頭的根部是機器人目的地的 x 和 y 座標位置，箭頭指向的方位，則決定機器人的 theta (θ) 角度。
- 當 x, y, θ 都決定後，TB3 就會開始往目的地移動。
補充資料：更多有關 Navigation2 的資訊。 #
- 機器人會依據 global path planner 產生到達 Navigation2 Goal 目的地的路徑，並依路徑移動。如果路徑上碰到障礙物，Navigation2 會使用 local path planner 來避開障礙物。
- 如果不能產生到達 Navigation2 Goal 目的地的路徑時，則會造成 Navigation2 Goal 設定失敗。如果在機器人到達目的地前，要停止機器人移動，可以將 TB3 當前位置設為 Navigation2 Goal 即可。
- 官方 ROS2 Navigation2 Wiki