手持激光雷达 TG30 基于 Cartographer 的建图实操记录

手持激光雷达建图实操记录

1. 概述

手持 TG30 激光雷达进行 Cartographer 建图测试，验证 SLAM 软件链路是否跑通。

与官方教程的区别：

项目	官方教程	我们的方案
SLAM 算法	Gmapping（粒子滤波）	Cartographer（图优化）
里程计	有底盘 odom	无 odom，纯激光匹配
雷达型号	4ROS（三角测距型）	TG30（TOF 飞行时间型）
安装方式	编译源码	apt 一键安装
启动方式	ros2 launch slam_gmapping ...	ros2 launch yahboomcar_nav map_cartographer_test_launch.py

官方教程使用 Gmapping，因 TG30 每圈 2020 点超过 Gmapping 的 1440 点上限，改用 Cartographer。

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2. 前提条件

条件	状态
ROS2 Humble 已安装	已确认
YDLidar SDK 已安装	已确认（v1.0.6）
雷达驱动已编译	已确认（ydlidar_ros2_driver）
雷达串口已绑定	已确认（/dev/ydlidar -> ttyUSB0）
Cartographer 已安装	sudo apt install -y ros-humble-cartographer ros-humble-cartographer-ros
Nav2 地图服务器已安装	sudo apt install -y ros-humble-nav2-map-server
yahboomcar_nav 已编译	已确认（含自定义 launch 和配置）
LIDAR_TYPE 环境变量	已设置 export LIDAR_TYPE=4ros（写入 ~/.bashrc）

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3. 系统架构

3.1 数据流

TG30 雷达 → /scan（2020 点/圈，10Hz） ↓ Cartographer（纯激光匹配，无 odom） ↓ /map（栅格地图） → RViz 可视化 

与有底盘的正式建图不同，手持模式下 Cartographer 配置了 use_odometry = false，完全靠前后两帧激光的扫描匹配来推算位移。

3.2 节点通讯

/ydlidar_ros2_driver_node ──→ /scan ──→ /cartographer_node ──→ /map ↓ /submap_list /scan_matched_points2 /trajectory_node_list /constraint_list /static_tf_footprint_to_base ──→ /tf_static（base_footprint → base_link） /static_tf_base_to_laser ──→ /tf_static（base_link → laser） /cartographer_node ──→ /tf（map → odom → base_link，由 Cartographer 自动生成） /cartographer_occupancy_grid_node ←── /submap_list ──→ /map 

实际运行的节点列表：

节点	作用
/ydlidar_ros2_driver_node	雷达驱动，发布 /scan
/cartographer_node	SLAM 建图核心
/occupancy_grid_node	将子图转换为栅格地图发布到 /map
/static_tf_base_to_laser	发布 base_link → laser 静态变换
/static_tf_footprint_to_base	发布 base_footprint → base_link 静态变换
/rviz	可视化

3.3 TF 坐标链

map → odom → base_link → laser ↑ ↑ ↑ ↑ └──────┘ │ │ Cartographer 静态 TF 静态 TF 自动生成 z=0.0815 x=0.0435 z=0.11 yaw=π 

对比官方教程的 TF 树（map → odom → laser → base_link），我们的坐标链更符合 REP-105 标准：base_link 是机器人本体，laser 作为传感器挂在 base_link 下面。

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4. 启动步骤

4.1 启动建图

# 确保没有残留的雷达进程
pkill -f ydlidar 2>/dev/null
pkill -f cartographer 2>/dev/null
sleep 2
# 启动建图（一条命令启动所有节点）
source ~/ydlidar_ws/install/setup.bash
ros2 launch yahboomcar_nav map_cartographer_test_launch.py 

启动成功的标志性日志：

[ydlidar_ros2_driver_node] LiDAR successfully connected [ydlidar_ros2_driver_node] [YDLIDAR]:Lidar running correctly ! The health status: good [ydlidar_ros2_driver_node] Model: TG30 [ydlidar_ros2_driver_node] [YDLIDAR] Fixed Size: 2020 [ydlidar_ros2_driver_node] [YDLIDAR INFO] Now YDLIDAR is scanning ...... [cartographer_node] All sensor data for trajectory 0 is available [cartographer_node] Inserted submap (0, 0). 

常见问题：如果雷达报 cannot retrieve YDLidar health code，说明串口被之前的进程占用。先 pkill -f ydlidar，等 2 秒再启动。

4.2 打开 RViz 可视化

在另一个终端中：

rviz2 

RViz 配置步骤：

1. 设置 Fixed Frame：左侧 Displays → Global Options → Fixed Frame 改为 map
2. 添加地图显示：
   • 点左下角 Add → 选择 By topic 标签页
   • 找到 /map → 展开 → 选 Map → 点 OK
3. 添加激光扫描显示：
   • 再点 Add → By topic 标签页
   • 找到 /scan → 展开 → 选 LaserScan → 点 OK
4. 调整 LaserScan 显示参数（参考官方教程 RViz 设置）：
   • Topic: /scan
   • Style: Flat Squares
   • Size: 0.05（官方用 0.1，但 TG30 点更密可以用更小值）
5. 调整视角：滚轮缩放，中键拖动平移

4.3 手持雷达扫描环境

雷达必须保持水平：

水平拿（正确）： 激光扫描面 ─────────────── 扫到墙壁、家具轮廓 桌子 椅子 门 歪着拿（错误）： 激光扫描面 ╲ ╲─────────── 扫到天花板/地板边缘 地图出现虚假障碍物 

TG30 是 2D 激光雷达，只发射一个水平面的扫描线。倾斜会导致：

• 地图出现不存在的障碍物（实际是地面或天花板）
• 墙壁距离测量不准
• 帧间匹配失败，地图扭曲

手持建图操作要点：

要点	说明
保持水平	小幅晃动（< 5°）可接受，持续倾斜不行
移动要慢	每秒不超过 0.3m，给 Cartographer 足够时间做帧间匹配
转弯要慢	角速度不能太快，否则相邻帧差异太大匹配失败
路径要有重叠	走过的区域要有重叠覆盖，方便特征匹配
走闭环	走一圈回到起点，触发回环检测，地图会自动校正

建议：把雷达放在平板（书、硬纸板）上端着走，更容易保持水平。

4.4 保存地图

建图满意后，不要关闭建图终端，在新终端中执行：

source ~/ydlidar_ws/install/setup.bash
ros2 launch yahboomcar_nav save_map_launch.py 

保存的文件：

~/ydlidar_ws/src/yahboomcar_nav/maps/ ├── yahboomcar.pgm # 栅格地图图片（灰度图） └── yahboomcar.yaml # 地图元数据 

地图 YAML 文件格式：

image: yahboomcar.pgm mode: trinary resolution: 0.05 # 分辨率：0.05 米/像素 origin: [-5.95, -3.26, 0] # 地图左下角坐标 (x, y, yaw) negate: 0 occupied_thresh: 0.65 # 占用概率 > 0.65 → 障碍物（黑色） free_thresh: 0.25 # 占用概率 < 0.25 → 自由空间（白色）

灰色区域为未探索区域。

4.5 重新建图

如果对当前地图不满意，想从零开始重建：

# 第一步：杀掉当前建图进程
pkill -f cartographer
pkill -f ydlidar
pkill -f occupancy_grid
# 第二步：等串口释放
sleep 2
# 第三步：重新启动（全新地图，不会叠加上一次数据）
source ~/ydlidar_ws/install/setup.bash
ros2 launch yahboomcar_nav map_cartographer_test_launch.py 

RViz 不用关，重启后地图会自动清空。每次启动 Cartographer 都是全新建图。

4.6 停止建图

# 方法 1：在启动建图的终端按 Ctrl+C
# 方法 2：命令行杀进程
pkill -f cartographer
pkill -f ydlidar
pkill -f occupancy_grid 

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5. 核心配置文件

5.1 Cartographer 配置（无 odom 手持模式）

文件：~/ydlidar_ws/src/yahboomcar_nav/params/tg30_2d_no_odom.lua

-- 关键参数
options = {
  tracking_frame = "base_link", -- 无 odom，直接跟踪 base_link
  published_frame = "base_link",
  provide_odom_frame = true, -- Cartographer 自行生成 odom frame
  use_odometry = false, -- 不使用里程计
}
-- TG30 雷达参数（手持调优版）
TRAJECTORY_BUILDER_2D.min_range = 0.1
TRAJECTORY_BUILDER_2D.max_range = 8.0 -- 缩小到 8m，减少远距离噪声干扰匹配
TRAJECTORY_BUILDER_2D.use_online_correlative_scan_matching = true -- 扫描匹配搜索窗口（关键！无 odom 时加大搜索范围防止匹配丢失）
TRAJECTORY_BUILDER_2D.real_time_correlative_scan_matcher.linear_search_window = 0.15
TRAJECTORY_BUILDER_2D.real_time_correlative_scan_matcher.angular_search_window = math.rad(30.)
TRAJECTORY_BUILDER_2D.real_time_correlative_scan_matcher.translation_delta_cost_weight = 1e-1
TRAJECTORY_BUILDER_2D.real_time_correlative_scan_matcher.rotation_delta_cost_weight = 1e-1
-- Ceres 精细匹配
TRAJECTORY_BUILDER_2D.ceres_scan_matcher.translation_weight = 10.
TRAJECTORY_BUILDER_2D.ceres_scan_matcher.rotation_weight = 40.
-- 运动滤波：更频繁地接受扫描帧
TRAJECTORY_BUILDER_2D.motion_filter.max_distance_meters = 0.1
TRAJECTORY_BUILDER_2D.motion_filter.max_angle_radians = math.rad(0.3)
TRAJECTORY_BUILDER_2D.motion_filter.max_time_seconds = 3.
-- 无 odom 模式下的特殊调整
TRAJECTORY_BUILDER_2D.submaps.num_range_data = 30 -- 更小的子图，减少单个子图内漂移
POSE_GRAPH.optimize_every_n_nodes = 15 -- 每 15 个节点就优化一次
POSE_GRAPH.constraint_builder.min_score = 0.55 -- 放宽匹配阈值

调优说明：首次测试使用 max_range=12、submaps.num_range_data=40 时地图严重拉伸变形。 调优后将 max_range 缩小到 8m 减少噪声，加大扫描匹配搜索窗口（angular_search_window=30°）防止转弯丢失，缩小子图帧数到 30、全局优化频率提高到每 15 个节点，地图质量显著改善。

5.2 Launch 文件

文件：~/ydlidar_ws/src/yahboomcar_nav/launch/map_cartographer_test_launch.py

启动内容：

序号	组件	说明
1	4ros_ydlidar_launch.py	雷达驱动
2	static_transform_publisher	base_link → laser（x=0.0435, z=0.11, yaw=π）
3	static_transform_publisher	base_footprint → base_link（z=0.0815）
4	cartographer_node	SLAM 建图（使用 tg30_2d_no_odom.lua）
5	cartographer_occupancy_grid_node	栅格地图发布（分辨率 0.05m）

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6. 排错指南

6.1 雷达启动失败

报错 1：cannot retrieve YDLidar health code: ffffffff

原因：串口被之前的进程占用

解决：

pkill -f ydlidar
sleep 2 # 重新启动

报错 2：cannot bind to the specified serial port[/dev/ydlidar]

原因：上一轮进程未完全释放串口，或 /dev/ydlidar 设备消失

解决：

# 先确认设备是否存在
ls -la /dev/ydlidar # 如果设备不存在，物理重新插拔雷达 USB 线
# 插拔后等 udev 规则生效，再检查
ls -la /dev/ydlidar # 应显示：/dev/ydlidar -> ttyUSB0

6.2 启动时出现 RTPS_TRANSPORT_SHM 警告

[RTPS_TRANSPORT_SHM Error] Failed init_port fastrtps_port7429: open_and_lock_file failed 

结论：无害警告，不影响任何功能。是 DDS 共享内存传输的非关键错误，可忽略。

6.3 RViz 启动时出现 Stereo NOT SUPPORTED

[rviz2]: Stereo is NOT SUPPORTED 

结论：无害提示，显卡不支持立体显示，不影响 2D 地图可视化。

6.4 tf2_echo 崩溃（BrokenPipeError）

报错：ros2 crashed with BrokenPipeError in run_executable()

原因：系统提示 ros-humble-ros2cli 等包版本过旧

解决（可选）：

sudo apt update && sudo apt upgrade -y

此崩溃只影响 ros2 run tf2_ros tf2_echo 等调试命令，不影响建图功能。

6.5 RViz 中看不到地图

检查清单：

1. Fixed Frame 是否设为 map？
2. 是否添加了 Map 显示（topic: /map）？
3. 检查话题是否有数据：ros2 topic echo /map --once
4. 检查 TF 是否正常：ros2 run tf2_ros tf2_echo map base_link
5. RViz 视角是否合适？建议使用 TopDownOrtho（俯视图）查看地图

6.6 地图扭曲或飘移

原因：移动过快、雷达倾斜、或特征不足的空旷区域

解决：

• 降低移动速度
• 保持雷达水平
• 尽量在有特征（墙角、家具）的区域建图
• 走闭环让 Cartographer 触发回环校正
• 如果地图严重变形，直接重新建图（见 4.5 节）

6.7 查看节点通讯和 TF 树

# 查看节点通讯图（需要安装 rqt）
ros2 run rqt_graph rqt_graph
# 查看 TF 树（生成 frames.pdf）
ros2 run tf2_tools view_frames 

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7. 手持建图的局限性

局限	说明
精度较低	没有里程计，纯靠激光匹配，累积误差较大
对操作要求高	必须慢、稳、水平，否则地图质量差
不适合大场景	无 odom 的漂移在大空间中会更明显
仅供测试验证	正式地图需等底盘到了以后用有 odom 的模式重建

本次手持建图的目的：验证 Cartographer 软件链路跑通，熟悉建图操作流程，为底盘到后正式建图做准备。

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8. 底盘到了以后的变化

底盘到后，切换到正式建图模式：

# 使用有 odom 的配置和 launch
ros2 launch yahboomcar_nav map_cartographer_tg30_launch.py 

项目	手持模式（当前）	正式模式（底盘到后）
配置文件	tg30_2d_no_odom.lua	tg30_2d.lua
Launch 文件	map_cartographer_test_launch.py	map_cartographer_tg30_launch.py
里程计	无	底盘编码器 + EKF
tracking_frame	base_link	base_footprint
use_odometry	false	true
provide_odom_frame	true	false
建图精度	低	高
操作方式	手持慢走	遥控/自动巡逻

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9. 实测踩坑记录

9.1 occupancy_grid_node 可执行文件名不对

现象：启动 launch 时报 executable 'occupancy_grid_node' not found on the libexec directory

原因：ros-humble-cartographer-ros 中的可执行文件实际名为 cartographer_occupancy_grid_node，而非源码 launch 中写的 occupancy_grid_node

修复：在所有 launch 文件中将 executable='occupancy_grid_node' 改为 executable='cartographer_occupancy_grid_node'

已修复的文件：

• map_cartographer_test_launch.py
• map_cartographer_tg30_launch.py
• occupancy_grid_launch.py

9.2 首次建图地图严重拉伸变形

现象：手持走了一圈，地图呈窄长条形，与实际房间结构完全不符

原因：初始配置参数不适合无 odom 手持场景

• max_range = 12.0 过大，远距离噪声干扰扫描匹配
• 扫描匹配搜索窗口使用默认值，转弯时容易丢失
• 子图帧数过多（40），单个子图内漂移积累

解决：调优 tg30_2d_no_odom.lua（详见第 5.1 节），核心改动：

• max_range 从 12 缩到 8
• 显式设置 angular_search_window = 30°
• submaps.num_range_data 从 40 降到 30
• optimize_every_n_nodes 从 20 降到 15
• 增加 Ceres 精细匹配权重

效果：调优后重新建图，地图质量显著改善，能清晰看到房间结构、墙壁和门口轮廓

9.3 串口占用导致雷达无法启动

现象：第二次启动时雷达报 cannot bind to the specified serial port 或 cannot retrieve YDLidar health code

原因：上一轮进程未完全退出，仍占用 /dev/ttyUSB0

解决：启动前必须先确保旧进程全部杀干净，等待 2 秒让串口释放

pkill -f ydlidar && pkill -f cartographer && sleep 2

极端情况下需要物理重新插拔 USB