SLAM Toolbox 建图
这节课是整门课的第一个"高光时刻"——你将用键盘遥控小车在房间里逛一圈，然后得到一张跟户型图一样的二维地图。全程只做三件事：启动建图 → 遥控逛圈 → 保存地图。
01问题引入：怎么把房间"扫"成一张图
EXP-01 里我们知道雷达每 0.1 秒扫一圈，可一圈只看到"眼前一环"。要把整个房间拼成一张图，小车必须边走边拼，而拼图本身又有两个麻烦：
02原理通俗讲解：前端配准与回环
在 ±0.5 m 的搜索窗（correlation_search_space_dimension 0.5）、1 cm 步进（resolution 0.01）内微调位姿，让新一帧扫描与当前地图最吻合。
把关键帧当节点、匹配与回环当边，用 Ceres（LEVENBERG_MARQUARDT 信赖域 + SPARSE_NORMAL_CHOLESKY 求解）整体调位置，误差被摊到每一条边上。
回到旧地时在 8 m 范围（loop_search_space_dimension 8.0）内搜索候选，粗匹配响应 >0.35、细匹配响应 >0.45 才认账，防"认错墙"。
走超 0.01 m 或转超 0.02 rad 才开新关键帧——存太密图臃肿算不动，存太疏拼不上。
mode: mapping，map_update_interval 0.1 s：RViz 里能看到地图"实时长出来"。
与 COIN-D6 雷达一致；超范围的点直接丢弃，避免把远处无关噪声当地标。
03关联知识点
关键帧节点 + 约束边构成的图，SLAM 后端优化的就是它；回环边是"首尾相接"的那根超强约束。
建图期间 TF 链：map→odom 由 slam_toolbox 发，odom→base_footprint 由轮式里程计（EKF）发，缺一不可。
.pgm 是灰度位图（254 空闲 / 0 占据 / 205 未知），.yaml 记分辨率 0.05、origin 原点、occupied_thresh 0.65 / free_thresh 0.25——成对才能被 Nav2 加载。
/scan 是 Best Effort（尽力而为）：订阅端若用 Reliable 会收不到数据，RViz 里 LaserScan 的 Reliability Policy 必须改成 Best Effort。
TimerAction period=10.0：等 bringup 的 odom/TF 与雷达 /scan 稳定 10 秒再起 slam，避免刚上电 TF 不全报错。
墙单线（厚 < 0.1 m）、尺寸误差 < 2%、四角直角 ≈90°、闭环处无错位。地图不过关，导航全白搭。
04实验目标
- 跑通 slam.launch.py 建图节点，RViz 中地图随遥控实时生长
- 用 slam_teleop（w/s/a/d/空格，0.2 m/s、0.5 rad/s）遥控逛完整圈并完成闭环
- 用 map_save（
-p map_name:=）或 map_saver_cli 保存出 map_01.pgm + map_01.yaml - 按四标准验收地图：墙单线、尺寸 < 2%、直角、闭环错位 < 0.1 m
- 会诊断 5 类常见问题：QoS、地图不更新、双墙、回环不触发、保存失败
05实验环境与准备
| 项目 | 要求 |
|---|---|
| 系统 | Ubuntu 22.04 + ROS2 Humble，car1_slam 功能包已编译（含 slam/teleop/map_save 节点与 launch） |
| 硬件 | 小车 C1 满电（逛圈耗电）、COIN-D6 雷达（/scan 10 Hz Best Effort）、平整 3 m × 3 m 以上场地 |
| 参数文件 | car1_slam/config/slam.yaml（mode: mapping、do_loop_closing: true、max_laser_range: 12.0） |
| 前置实验 | EXP-01 TF 树正常（base_footprint 为根），否则建图节点起不来 |
| RViz 配置 | launch 已自带 slam.rviz：Fixed Frame = map，Map（/map，Transient Local）+ LaserScan（/scan，Best Effort）+ TF 已配好 |
06动画讲解：关键帧与回环闭合
上：小车沿房间行进，每隔一小段落一个关键帧（蓝点），扫描扇形不断把墙画上图；下：逛回起点附近触发回环（金色虚线），原本错开的"双重墙"被对齐成单线。
07互动讲解：关键帧阈值与回环触发演练台
遥控手法直接决定关键帧密度和回环能不能触发——点按钮模拟三种逛圈方式，看系统判定：
| slam.yaml 参数 | 默认值 | 作用 |
|---|---|---|
| minimum_travel_distance | 0.01 | 移动超 1 cm 才存关键帧——静止时空转不刷关键帧 |
| minimum_travel_heading | 0.02 | 转角超约 1.15° 才存新帧 |
| loop_match_minimum_response_fine | 0.45 | 精细匹配响应度门槛，太低易误回环、太高难触发 |
| do_loop_closing | true | 回环总开关；关掉 = 永远画不出"闭合"的图 |
08实操步骤：启动 → 逛圈 → 存图
# ① 启动 SLAM 建图（含底盘 bringup、雷达、10 秒延迟起的 slam_toolbox 与 rviz） ros2 launch car1_slam slam.launch.py # 不想开 rviz：追加 use_rviz:=false # ② 另开终端：键盘遥控（w/s 前后 0.2m/s，a/d 左右转 0.5rad/s，空格停） ros2 run car1_slam slam_teleop # 注意：必须在真终端（tty）里运行，IDE 内嵌终端读不到按键 # ③ 逛圈前自检：雷达 10Hz、里程计 TF 正常 ros2 topic hz /scan ros2 run tf2_ros tf2_echo odom base_footprint # ④ 保存地图（逛完圈、触发回环之后再执行） ros2 run car1_slam map_save --ros-args -p map_name:=map_01 # 默认写到 install/.../car1_slam/maps/ ；想改目录再加 -p map_dir:=/绝对/路径 # 注意 map_save 读的是参数 map_name，不是位置参数——直接写 map_01 不会生效 # 方式二：nav2 官方 CLI（transient_local 才能收到 latched 的 /map） ros2 run nav2_map_server map_saver_cli -f map_01 \ --ros-args -p map_subscribe_transient_local:=true # ⑤ 停掉遥控（Ctrl+C 前先保存） pkill -f slam_teleop
保存产物 map_01.yaml 关键字段（与仓库示例 slam_map.yaml 一致）：image: map_01.pgm · mode: trinary · resolution: 0.05 · origin: [-0.381, -0.482, 0] · negate: 0 · occupied_thresh: 0.65 · free_thresh: 0.25。其中 origin 是地图左下角在 map 坐标系里的位姿。
09重点与易错点
| ⚠️ 常见坑 | 现象 → 解法 |
|---|---|
| RViz 无扫描点 | LaserScan 空白 → QoS Reliability 改 Best Effort（雷达即尽力而为） |
| 地图不生长 | /map 不更新 → 确认 slam 节点在跑（ros2 node list）且 /scan 有数据 |
| 墙出现双影 | 回环没触发/配准失败 → 降低车速、走规则大圈、回起点停一停再看 |
| 回环永不触发 | 闭环区域特征太弱或太快掠过 → 回起点减速正对原方向；检查 do_loop_closing: true |
| 保存失败 | map_saver 等不到 /map → 加 -p map_subscribe_transient_local:=true，或用 car1_slam 的 map_save |
| 存下来的还是旧名字 | 误把 map_01 当位置参数传 → 必须写成 --ros-args -p map_name:=map_01 |
| 文件名踩坑 | 路径含中文/空格 → 改英文文件名；先保存再 Ctrl+C |
- 地图墙厚 < 0.1 m 单线、整体尺寸误差 < 2%、四角直角 90°±2°
- 回到起点处 闭环无错位（< 0.1 m / 航向 < 5°）
- map_01.pgm + map_01.yaml 成对存在，origin/thresholds 齐全
- 逛圈全程 低速（≤1.0 rad/s 转向）、先存图后停车、电量充足
10总结与思考
slam.launch + slam_teleop 逛圈，map_save 产出 map_01.pgm/yaml 并通过四标准验收。
扫描配准堆关键帧，Ceres 图优化摊误差，回环检测是"一捋正"的关键。
启动 → 遥控逛圈 → 保存；map_save 的参数式调用与 map_saver_cli 的 transient_local 参数套路。
QoS → /scan 频率 → 车速 → 闭环 → do_loop_closing 参数，逐级定位。