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2026-06-20 19:49:23 +08:00
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@@ -2,7 +2,7 @@

 > 本仓库为 **[中国机器人及人工智能大赛](https://www.caairobot.com)**（CRAIC）**机器人任务挑战赛（小型桌面级）** 参赛代码。

-ESP32-S3 双核摄像头 + ROS 2 机械臂控制 + 视觉抓取的一体化机器人系统。
+ESP32-S3 双核摄像头 + ROS 2 机械臂控制 + 视觉抓取 + 激光 SLAM 定位导航的一体化机器人系统。

 ## 赛事信息

@@ -19,24 +19,6 @@ ESP32-S3 双核摄像头 + ROS 2 机械臂控制 + 视觉抓取的一体化机
 | 参赛赛项 | 机器人任务挑战赛（小型桌面级） |
 | 官方网站 | [www.caairobot.com](https://www.caairobot.com) |

-## 项目结构
-
-```
-craic/
-├── jxbeye/                    # ESP32-S3 固件 (PlatformIO)
-│   ├── src/main.cpp           # 双核摄像头推流 + UDP 控制
-│   └── platformio.ini         # ESP32-S3-WROOM-1-N16R8 配置
-├── ros2/                      # ROS 2 控制系统
-│   ├── src/arm_control_msgs/  # 消息和服务定义
-│   └── src/udp_teleop/        # 机械臂控制和视觉抓取节点
-├── tools/                     # 独立工具脚本
-│   ├── udp_control.py         # 命令行机械臂控制（带逆运动学）
-│   ├── camera_to_base.py      # 相机坐标到基坐标变换
-│   └── camera_capture.py      # MJPEG 流采集
-└── docs/                      # 技术文档
-    └── arm.md                 # 机械臂运动学推导
-```
-
 ## 硬件

 | 组件 | 型号 |
@@ -44,34 +26,100 @@ craic/
 | 主控 | ESP32-S3-WROOM-1-N16R8 (16MB Flash, 8MB PSRAM) |
 | 摄像头 | OV2640 (XGA 1024×768, JPEG) |
 | 机械臂 | 6-DOF，飞特 SCS/STS 串行舵机 |
+| 激光雷达 | YDLiDAR TminiPro (360°, 10Hz) |
+| 底盘 | 麦克纳姆轮底盘，LZUCAR 底盘 MCU（串口里程计） |
+| 激光 | 激光模块（LASERON / LASEROFF） |
+
+## 项目结构
+
+```
+craic/
+├── jxbeye/                         # ESP32-S3 固件 (PlatformIO)
+│   ├── src/main.cpp                # 双核：Core 0 摄像头采集，Core 1 WiFi推流 + UDP控制
+│   ├── platformio.ini              # 开发板与 PSRAM 配置
+│   └── lib/FTServo/                # 飞特串行舵机库
+├── ros2/                           # ROS 2 控制系统
+│   ├── build.sh                    # 一键编译脚本
+│   ├── src/arm_control_msgs/       # 机械臂消息与服务定义 (ament_cmake)
+│   │   ├── msg/                    # JointState, TCPPose
+│   │   └── srv/                    # MoveJoints, MovePose, GetPose, SetGripper
+│   ├── src/udp_teleop/             # UDP 遥控与机械臂控制 (ament_python)
+│   │   ├── udp_teleop/             # arm_control, vision_grasp, keyboard_control, box_detection_grasp
+│   │   ├── launch/                 # vision_grasp.launch.py（统一启动）
+│   │   ├── config/                 # arm / vision / keyboard / box_detection 参数
+│   │   └── models/                 # YOLO 模型权重 (box_detection.pt)
+│   ├── src/craic_localization/     # 定位与导航 (ament_python)
+│   │   ├── launch/                 # mapping / localization / lidar / bringup
+│   │   ├── config/                 # amcl / gmapping / lidar 参数
+│   │   └── rviz/                   # 定位专用 RViz 配置
+│   ├── src/rf2o_laser_odometry/    # 激光里程计 (ament_cmake, C++14)
+│   └── src/ydlidar_ros2_driver/    # YDLiDAR 驱动 (ament_cmake)
+├── tools/                          # 独立命令行工具（不依赖 ROS）
+│   ├── udp_control.py              # 机械臂控制（逆运动学 + 插值）
+│   ├── camera_to_base.py           # 相机→基座坐标系变换
+│   ├── camera_capture.py           # MJPEG 流帧采集
+│   ├── udp_server.py               # UDP 回显调试服务器
+│   └── README.md                   # 工具详细文档
+├── docs/                           # 技术文档
+│   ├── arm.md                      # 机械臂运动学推导
+│   ├── localization.md             # 定位系统完整文档
+│   └── box_detection_grasp.md      # 方框检测与自动抓取
+└── dataset/                        # 竞赛训练数据（黑方块图像 + 标定）
+```

 ## 核心功能

 ### 1. ESP32-S3 固件 (`jxbeye/`)

- **双核架构**：Core 0 采集，Core 1 推流
- **MJPEG 推流**：`http://<IP>` 实时查看
- **UDP 控制**：端口 8888，非阻塞异步处理
- **WiFi 配置**：串口发送 `WIFI:SSID:PASSWORD` 配置
+- **双核架构**：Core 0 采集 OV2640 JPEG，Core 1 WiFi 推流 + 异步 UDP 命令接收
+- **MJPEG 推流**：`http://<IP>` 实时查看，`/stream` 端点供 OpenCV/YOLO 消费
+- **UDP 控制**：端口 8888，非阻塞中断回调处理底盘 + 机械臂 + 激光指令
+- **WiFi 配置**：首次启动创建热点 `ESP32-S3-Camera`（密码 `12345678`），串口发送 `WIFI:SSID:PASSWORD` 切换 Station 模式

-### 2. ROS 2 机械臂控制 (`ros2/`)
+### 2. 机械臂控制与视觉抓取 (`ros2/src/udp_teleop/`)

-**arm_control 节点**：
- 关节空间和笛卡尔空间运动控制
- 完整逆运动学和正运动学
- 服务接口：`move_joints`, `move_pose`, `get_pose`, `set_gripper`
- 状态发布（10Hz）
+| 节点 | 功能 |
+|------|------|
+| `arm_control` | 完整逆运动学/正运动学，关节空间 + 笛卡尔空间运动，4 个 ROS 服务，状态发布 (10Hz)，自动归零，动态 J5/z4 适配 |
+| `vision_grasp` | 相机坐标→基坐标变换，自动抓取/释放流程（松开→移动→夹取→回收），多线程服务调用 |
+| `box_detection_grasp` | YOLO 实时方框检测（MJPEG 流），单目深度估计，自动/手动模式，检测到即触发抓取 |
+| `keyboard_control` | 键盘 UDP 遥控（底盘 WASD/QE + 机械臂 ↑↓←→ + 关节选择 2-6），3 种输入后端 |

-**vision_grasp 节点**：
- 相机坐标到基坐标系自动转换
- 自动抓取：释放 → 移动 → 抓取 → 回收
- 自动释放：移动 → 释放 → 回收
+**机械臂服务接口**：
+```bash
+ros2 service call /arm_control/move_pose arm_control_msgs/srv/MovePose \
+    "{x: 200.0, y: 100.0, z: -100.0, phi: 45.0, duration: 2.0}"
+ros2 service call /arm_control/get_pose arm_control_msgs/srv/GetPose
+ros2 service call /arm_control/set_gripper arm_control_msgs/srv/SetGripper "{grip: true}"
+```

-### 3. 工具脚本 (`tools/`)
+### 3. 激光 SLAM 定位与导航 (`ros2/src/craic_localization/`)

- `udp_control.py` - 命令行机械臂控制（支持逆运动学）
- `camera_to_base.py` - 坐标变换工具
- `camera_capture.py` - 相机帧采集（支持自动扫描）
+三个阶段式比赛流程：
+
+| 阶段 | Launch 文件 | 功能 | TF 链 |
+|------|------------|------|-------|
+| P3 标定 | `bringup.launch.py` | 轮式里程计 + 激光驱动 + RViz | `odom → base_footprint → laser_frame` |
+| P4 建图 | `mapping.launch.py` | 激光 + rf2o 里程计 + slam_gmapping | `map → odom → base_footprint → laser_frame` |
+| P5 导航 | `localization.launch.py` | 激光 + rf2o + map_server + AMCL | `map → odom → base_footprint → laser_frame` |
+
+**定位系统节点**：
+
+| 节点 | 功能 |
+|------|------|
+| `chassis_odometry` | 串口读取 LZUCAR 底盘 MCU 轮式里程计（32 字节协议） |
+| `teach_points` | 交互式示教工具：回车记录 map 帧位姿，支持预设点位序列 (B_1..F_1)，自动存 YAML |
+| `navigate_to_point` | 全向 P 控制器自主导航到示教点，UDP XYW 指令闭环驱动，干运行/单次模式可选 |
+| `show_points` | RViz MarkerArray 可视化示教点（箭头 + 标签），实时更新 |
+
+### 4. 命令行工具 (`tools/`)
+
+| 工具 | 功能 |
+|------|------|
+| `udp_control.py` | 机械臂关节/笛卡尔空间控制，逆运动学，轨迹插值，状态缓存，干运行 |
+| `camera_to_base.py` | 相机→TCP→基座完整变换链，支持相机安装偏移与旋转 |
+| `camera_capture.py` | ESP32 MJPEG 流帧采集，自动子网扫描寻找相机 |
+| `udp_server.py` | UDP 回显服务器，用于调试协议通信 |

 ## 快速开始

@@ -83,8 +131,6 @@ pio run -t upload
 pio device monitor
 ```

-首次启动创建热点 `ESP32-S3-Camera`（密码 `12345678`），访问 `http://192.168.4.1`。
-
 ### ROS 2 控制系统

 ```bash
@@ -92,124 +138,187 @@ pio device monitor
 conda create -n ros2_humble -c robostack-staging -c conda-forge ros-humble-desktop
 conda activate ros2_humble

-# 编译
+# 编译（一键）
 cd ros2
-export PYTHON_EXECUTABLE=$CONDA_PREFIX/bin/python
-export PYTHON_INCLUDE_DIR=$CONDA_PREFIX/include/python3.12
-export PYTHON_LIBRARY=$CONDA_PREFIX/lib/libpython3.12.so
-
-colcon build --packages-select arm_control_msgs \
-  --cmake-args \
-    -DPython_EXECUTABLE=$PYTHON_EXECUTABLE \
-    -DPython_INCLUDE_DIR=$PYTHON_INCLUDE_DIR \
-    -DPython_LIBRARY=$PYTHON_LIBRARY
-
-colcon build --packages-select udp_teleop
+./build.sh
 source install/setup.bash

-# 运行机械臂控制
+# 或按需编译指定包
+./build.sh --packages-select craic_localization udp_teleop
+```
+
+**启动机械臂控制**：
+```bash
+# 终端 1：机械臂控制器
 ros2 run udp_teleop arm_control \
    --ros-args --params-file src/udp_teleop/config/arm_control.yaml

-# 运行视觉抓取（新终端）
+# 终端 2：视觉抓取
 ros2 run udp_teleop vision_grasp \
    --ros-args --params-file src/udp_teleop/config/vision_grasp.yaml
+
+# 或一键启动全部（含 YOLO 检测）
+ros2 launch udp_teleop vision_grasp.launch.py detection:=true auto_grasp:=true
+```
+
+**启动键盘遥控**：
+```bash
+ros2 run udp_teleop keyboard_control \
+    --ros-args --params-file src/udp_teleop/config/params.yaml
+```
+
+**启动定位与导航**：
+```bash
+# P4 建图
+ros2 launch craic_localization mapping.launch.py
+# 建图完成后保存
+ros2 run nav2_map_server map_saver_cli -f src/craic_localization/maps/craic
+
+# P5 定位 + 导航
+ros2 launch craic_localization localization.launch.py
+
+# 新终端：示教记录点位
+ros2 run craic_localization teach_points \
+    --ros-args -p output_file:=$PWD/src/craic_localization/config/taught_points.yaml
+
+# 新终端：自主导航到示教点
+ros2 run craic_localization navigate_to_point
 ```

 ### 命令行工具

 ```bash
-# 机械臂控制（关节空间）
-python tools/udp_control.py joints \
-    --height -100 --j2 10 --j3 20 --j4 30 --duration 2.0
-
-# 机械臂控制（笛卡尔空间）
-python tools/udp_control.py pose \
-    --x 200 --y 100 --z -100 --phi 45 --duration 2.0
+# 机械臂控制
+python tools/udp_control.py pose --x 200 --y 100 --z -100 --phi 45 --duration 2.0
+python tools/udp_control.py joints --height -100 --j2 10 --j3 20 --j4 30

 # 相机采集
 python tools/camera_capture.py --ip 192.168.4.1
 python tools/camera_capture.py --scan  # 自动扫描
+
+# UDP 调试
+python tools/udp_server.py
+echo 'XYW:100:0:0:XZHY' | nc -u 127.0.0.1 8888
 ```

 ## UDP 协议

-所有指令通过 UDP 端口 `8888` 发送：
+所有指令通过 UDP 端口 `8888` 发送，ASCII 文本协议：

-```bash
-# 底盘控制（麦克纳姆轮）
-XYW:<X>:<Y>:<W>:XZHY\n
+```
+# 底盘控制（麦克纳姆轮全向速度）
+XYW:<X_speed>:<Y_speed>:<W_angular>:XZHY\n

-# 机械臂控制（6 轴）
+# 机械臂控制（6 轴角度 + 高度）
 JXB:<height>:<J2>:<J3>:<J4>:<J5>:<J6>:0:0:EZHY\n

 # 激光控制
-LASERON / LASEROFF
+LASERON\n
+LASEROFF\n
 ```

+- 角度单位：度（已包含零点偏移）
+- 高度单位：mm
+- 速度单位：X/Y mm/s，W deg/s
+
 ## 使用示例

 ### ROS 服务调用

 ```bash
-# 查询位姿
-ros2 service call /arm_control/get_pose arm_control_msgs/srv/GetPose
-
-# 移动到目标位置
+# 机械臂移动到目标位置
 ros2 service call /arm_control/move_pose arm_control_msgs/srv/MovePose \
    "{x: 200.0, y: 100.0, z: -100.0, phi: 45.0, duration: 2.0}"

+# 快速抓取
+ros2 service call /arm_control/move_pose arm_control_msgs/srv/MovePose \
+    "{x: 200.0, y: 100.0, z: -100.0, phi: 45.0, grip: true, duration: 2.0}"
+
+# 查询位姿
+ros2 service call /arm_control/get_pose arm_control_msgs/srv/GetPose
+
 # 视觉抓取（发布相机坐标）
 ros2 topic pub --once /vision_grasp/grasp_target geometry_msgs/Point \
    "{x: 10.0, y: 5.0, z: 250.0}"
 ```

+### 定位导航工作流
+
+```bash
+# 1. 启动定位系统
+ros2 launch craic_localization localization.launch.py
+
+# 2. 键盘遥控到目标位置（另一终端）
+ros2 run udp_teleop keyboard_control \
+    --ros-args --params-file src/udp_teleop/config/params.yaml
+
+# 3. 示教记录点位（第三终端）
+ros2 run craic_localization teach_points \
+    --ros-args -p output_file:=$PWD/src/craic_localization/config/taught_points.yaml
+# 交互命令：回车记录 → r 记录 → p 查看 → save 保存 → q 退出
+
+# 4. 自主导航到示教点
+ros2 run craic_localization navigate_to_point
+# 输入目标点名（如 B_1），机器人自动导航到位
+```
+
 ### Python 集成

 ```python
 import rclpy
 from geometry_msgs.msg import Point

-class VisionDetector:
+class VisionDetector(rclpy.node.Node):
    def __init__(self):
-        self.grasp_pub = self.create_publisher(Point, 'vision_grasp/grasp_target', 10)
-    
+        super().__init__('vision_detector')
+        self.grasp_pub = self.create_publisher(
+            Point, 'vision_grasp/grasp_target', 10)
+
    def on_detection(self, camera_x, camera_y, camera_z):
        msg = Point()
-        msg.x = camera_x
-        msg.y = camera_y
-        msg.z = camera_z
+        msg.x = camera_x; msg.y = camera_y; msg.z = camera_z
        self.grasp_pub.publish(msg)
 ```

-## 文档
-
- **ROS 2 系统**：[ros2/README.md](ros2/README.md) - 完整的 ROS 节点文档
- **运动学推导**：[docs/arm.md](docs/arm.md) - 机械臂逆运动学数学推导
- **视觉标定**：[docs/vision_calibration_horizontal.md](docs/vision_calibration_horizontal.md) - 相机标定指南
-
 ## 坐标系说明

 **机械臂基坐标系**（Z 轴朝上）：
 - 原点：J1 线性滑轨底部
- X 轴：基座正前方
- Y 轴：基座左侧
- Z 轴：竖直向上（高度）
+- X 轴：基座正前方，Y 轴：基座左侧，Z 轴：竖直向上
+- 单位：mm

 **相机坐标系**（水平安装）：
- X 轴：右侧
- Y 轴：向下
- Z 轴：正前方（光轴）
+- X 轴：右侧，Y 轴：向下，Z 轴：正前方（光轴）
+- 单位：mm

-变换由 `camera_to_base.py` 和 `vision_grasp` 节点自动处理。
+**底盘坐标系**（ROS TF）：
+```
+map ──(AMCL)──> odom ──(rf2o)──> base_footprint ──(static)──> laser_frame
+                                                  ──(static)──> base_link
+```
+- `map`：全局固定坐标系（AMCL 定位输出）
+- `odom`：连续里程计坐标系（rf2o 激光里程计）
+- `base_footprint`：底盘投影中心
+- `laser_frame`：激光雷达安装位置（外参可调：`lidar_x`, `lidar_y`, `lidar_yaw`）
+
+## 文档
+
+| 文档 | 说明 |
+|------|------|
+| [docs/arm.md](docs/arm.md) | 机械臂逆运动学完整数学推导（2 连杆平面臂 + z4 偏移） |
+| [docs/localization.md](docs/localization.md) | 定位系统文档：SLAM 建图、AMCL 定位、示教导航、故障排查 |
+| [docs/box_detection_grasp.md](docs/box_detection_grasp.md) | YOLO 方框检测与自动抓取：配置、服务、深度估计原理 |
+| [ros2/README.md](ros2/README.md) | ROS 2 节点详细文档 |
+| [tools/README.md](tools/README.md) | 命令行工具完整参数与工作流示例 |

 ## 依赖

 | 环境 | 依赖 |
 |------|------|
 | ESP32 | PlatformIO, Arduino framework, esp32-camera |
-| ROS 2 | ROS 2 Humble (robostack), Python 3.12 |
-| 工具 | NumPy, OpenCV (可选) |
+| ROS 2 | ROS 2 Humble, `slam_gmapping`, `nav2_amcl`, `nav2_map_server`, `nav2_lifecycle_manager`, `serial` |
+| Python | NumPy, OpenCV, Ultralytics (YOLO), pynput (可选) |
+| 系统 | YDLidar-SDK, colcon, conda (robostack) |

 ## 许可