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解读 Costmap2DROS 的构造函数
|路径规划代价地图|
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ROS源码里有个costmap_2d_node.cpp，编译成可执行文件costmap_2d_node，注意它的链接库：

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target_link_libraries(costmap_2d_node
    costmap_2d
    ${PCL_LIBRARIES}
    ${Boost_LIBRARIES}
    ${catkin_LIBRARIES}
)

它的main函数非常简单，实际就是Costmap2DROS的构造函数
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#include <ros/ros.h>
#include <costmap_2d/costmap_2d_ros.h>

int main(int argc, char** argv)
{
  ros::init(argc, argv, "costmap_node");
  tf::TransformListener tf(ros::Duration(10));
  costmap_2d::Costmap2DROS lcr("costmap", tf);
  ros::spin();
  return (0);
}

获取参数值和tf变换

首先是一些参数的获取。循环等待直到获得机器人底盘坐标系和global系之间的坐标转换。
并获取rolling_window、track_unknown_space、always_send_full_costmap的参数，默认为false。

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Costmap2DROS::Costmap2DROS(std::string name, tf::TransformListener& tf) :
    layered_costmap_(NULL),
    name_(name),  // 局部还是全局代价地图
    tf_(tf),
    transform_tolerance_(0.3),
    map_update_thread_shutdown_(false),
    stop_updates_(false),
    initialized_(true),
    stopped_(false),
    robot_stopped_(false),
    map_update_thread_(NULL),
    last_publish_(0),
    plugin_loader_("costmap_2d", "costmap_2d::Layer"),
    publisher_(NULL),
    dsrv_(NULL),
    footprint_padding_(0.0)
{
  //初始化old pose
  old_pose_.setIdentity();
  old_pose_.setOrigin(tf::Vector3(1e30, 1e30, 1e30));
  // 如果是全局代价地图，这里name是global_costmap
  ros::NodeHandle private_nh("~/" + name);
  ros::NodeHandle g_nh;

  //获取tf前缀
  ros::NodeHandle prefix_nh;
  std::string tf_prefix = tf::getPrefixParam(prefix_nh);

  //两个坐标系，全局和局部的参数是不同的
  private_nh.param("global_frame", global_frame_, std::string("/map"));
  private_nh.param("robot_base_frame", robot_base_frame_, std::string("base_link"));

  //确保基于tf前缀正确设置了坐标系
  //tf::resolve或者TransformListener::resolve的作用就是使用tf_prefix参数将frame_name解析为frame_id
  global_frame_ = tf::resolve(tf_prefix, global_frame_);
  robot_base_frame_ = tf::resolve(tf_prefix, robot_base_frame_);

  ros::Time last_error = ros::Time::now();
  std::string tf_error;
  
  //确保机器人global_frame_和robot_base_frame_之间的有效转换, 否则一直停留在这里阻塞
  // 这里已经写死为 0.1，有需要可以改变
  while (ros::ok()
      && !tf_.waitForTransform(global_frame_, robot_base_frame_, ros::Time(), 
        ros::Duration(0.1), ros::Duration(0.01), &tf_error))
  {
    ros::spinOnce();
    // 如果５秒内未成功tf转换，报警
    if (last_error + ros::Duration(5.0) < ros::Time::now())
    {
      ROS_WARN("Timed out waiting for transform from %s to %s to become available before running costmap, tf error: %s",
               robot_base_frame_.c_str(), global_frame_.c_str(), tf_error.c_str());
      last_error = ros::Time::now();
    }
    // The error string will accumulate and errors will typically be the same, so the last
    // will do for the warning above. Reset the string here to avoid accumulation.
    tf_error.clear();
  }
  //检测是否需要“窗口滚动”，从参数服务器获取以下参数
  bool rolling_window, track_unknown_space, always_send_full_costmap;
  private_nh.param("rolling_window", rolling_window, false);
  private_nh.param("track_unknown_space", track_unknown_space, false);
  private_nh.param("always_send_full_costmap", always_send_full_costmap, false);

有时出现了下面的报错

这就是因为上面的0.1太小了

LayeredCostmap类的对象

layered_costmap_ = new LayeredCostmap(global_frame_, rolling_window, track_unknown_space);

接下来创建一个LayeredCostmap类实例layered_costmap_，作为规划器使用的master costmap，并通过它管理各层地图。

LayeredCostmap类是Costmap2DROS的类成员，它是master costmap，也能够管理各层地图，因为它 含有指向各层子地图的指针 std::vector<boost::shared_ptr<Layer> > plugins_，能够调用子地图的类方法，开启子地图的更新，各层子地图最后都会合并到master costmap，提供给规划器的使用。

它的构造函数只有:

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// 如果追踪未知信息的cell，默认false
if (track_unknown)
	costmap_.setDefaultValue(255);
else
	costmap_.setDefaultValue(0);

// 枚举值的含义对应如下：
/*	NO_INFORMATION = 255;
	LETHAL_OBSTACLE = 254;
	INSCRIBED_INFLATED_OBSTACLE = 253;
	FREE_SPACE = 0;    */

LayeredCostmap含有类成员Costmap2D costmap_，这个类就是底层地图，用于记录地图数据。

继续Costmap2DROS的构造函数代码：

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// 查看参数服务器里的costmap是否有plugins参数，如果没有，则重置为旧参数
if (!private_nh.hasParam("plugins"))
{
    resetOldParameters(private_nh);
}
// 如果加载了plugins，循环将每个plugin即每层子地图添加进layered_costmap_类的
// 指针组对象中，并对每层地图调用其 initialize 类方法，初始化各层地图。
if (private_nh.hasParam("plugins"))
{
    XmlRpc::XmlRpcValue my_list;
    private_nh.getParam("plugins", my_list);
    for (int32_t i = 0; i < my_list.size(); ++i)
    {
      std::string pname = static_cast<std::string>(my_list[i]["name"]);
      std::string type = static_cast<std::string>(my_list[i]["type"]);
      ROS_INFO("Using plugin \"%s\"", pname.c_str());

      // plugin_loader_类型是　pluginlib::ClassLoader<Layer>，ROS插件机制
      boost::shared_ptr<Layer> plugin = plugin_loader_.createInstance(type);
      // 添加到容器  plugins_
      layered_costmap_->addPlugin(plugin);
      // 执行 Layer::initialize， 它向各层地图通知主地图的存在，并调用
      // oninitialize方法  （Layer类中的虚函数，被定义在各层地图中）
      plugin->initialize(layered_costmap_, name + "/" + pname, &tf_);
    }
}

这里得到的插件即为各层子地图。每层子地图使用Pluginlib（ROS插件机制）来实例化，各个层可以被独立的编译，且允许使用C++接口对Costmap做出任意的改变。

footprint话题

订阅footprint话题，回调函数为setUnpaddedRobotFootprintPolygon。当话题上收到footprint时，回调函数会将接收到的footprint根据参数footprint_padding_的值进行膨胀，得到“膨胀”后的padded_footprint_，传递给各级地图。

查看节点可知，/move_base/local_costmap/footprint和/move_base/global_costmap/footprint两个话题的发布订阅者都是move_base

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std::string topic_param, topic;
if (!private_nh.searchParam("footprint_topic", topic_param))
{
  topic_param = "footprint_topic";
}
private_nh.param(topic_param, topic, std::string("footprint"));
footprint_sub_ = private_nh.subscribe(topic, 1, &Costmap2DROS::setUnpaddedRobotFootprintPolygon, this);

if (!private_nh.searchParam("published_footprint_topic", topic_param))
{
  topic_param = "published_footprint";
}
private_nh.param(topic_param, topic, std::string("oriented_footprint"));
footprint_pub_ = private_nh.advertise<geometry_msgs::PolygonStamped>("footprint", 1);

setUnpaddedRobotFootprint(makeFootprintFromParams(private_nh));


发布代价地图

创建地图的发布器实例,Costmap2DPublisher类是用于地图发布的封装类,在函数mapUpdateLoop中调用

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//发布Costmap2D
publisher_ = new Costmap2DPublisher(&private_nh, layered_costmap_->getCostmap(), global_frame_, "costmap", always_send_full_costmap);

//创建地图更新线程的控制量
stop_updates_ = false;
initialized_ = true;
stopped_ = false;

//创建一个timer去检测机器人是否在移动
robot_stopped_ = false;
//回调函数movementCB通过比较前后两个pose的差来判断机器人是否在移动
timer_ = private_nh.createTimer(ros::Duration(.1), &Costmap2DROS::movementCB, this);

开启动态参数配置，它的回调函数Costmap2DROS::reconfigureCB会在节点启动时运行一次，加载.cfg文件的配置参数。这个函数给对应参数赋值，并创建了一个Costmap2DROS::mapUpdateLoop函数的线程，即地图更新线程。

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//开启参数动态配置
  dsrv_ = new dynamic_reconfigure::Server<Costmap2DConfig>(ros::NodeHandle("~/" + name));
  //回调函数reconfigureCB 除了对一些类成员的配置值做赋值以外，还会开启一个更新map的线程 
  dynamic_reconfigure::Server<Costmap2DConfig>::CallbackType cb = boost::bind(&Costmap2DROS::reconfigureCB, this, _1,_2);
  dsrv_->setCallback(cb);
}

这里的代码有点复杂了，mapUpdateLoop函数循环调用UpdateMap函数，更新地图。并以publish_cycle为周期，发布更新后的地图。

UpdateMap首先调用类内getRobotPose函数，通过tf转换，将机器人底盘系的坐标转换到global系，得到机器人的位姿。然后通过layered_costmap_调用LayeredCostmap类的updateMap函数，更新地图。

流程如下
costmap的初始化流程.png

整个costmap初始化，最关键和复杂的就是各层的加载和更新地图