【ROS 筆記：要怎麼叫無人機自己飛】Day 23：使用 AprilTag 做為場景中的定位標記

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DAY 23

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ROS 筆記：要怎麼叫無人機自己飛系列第 23 篇

【ROS 筆記：要怎麼叫無人機自己飛】Day 23：使用 AprilTag 做為場景中的定位標記

16th鐵人賽 ros 機器人 gazebo 無人機

欸利

2024-10-06 00:02:36

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什麼是 Apriltag？

Apriltag 是由密西根大學的 April Robotics Lab 所開發的一種視覺標記系統（Visual Fiducial Marker），可以用來做為機器導航時所需的定位標記。

在機器人領域中，經常使用視覺標記系統協助機器人確定自身位置，或用於辨識特定的物體或位置。然而，傳統的標記系統（如 QR code）在精準度、解碼速度或辨識可靠性上都明顯不足，因此Apriltag 便因應而生。

圖片來源：密西根大學的 April Robotics Lab 。

Apriltag 圖樣系列

AprilTags 的設計概念上與 QR code 雷同也是一種二維條碼。然而，它們被設計成只儲存更少的資訊，因此能夠在更遠的距離就被辨識出來。

現在已經開發出許多不同的 Apriltag 標籤系列，各自針對不同的應用需求設計，常見的有 Tag36h11 、 Tag25h9 、 TagStandard41h12、TagCircle21h7 這幾種。

圖片來源：密西根大學的 April Robotics Lab 。

標籤系列（Tag Family）：

每個系列的名稱通常由標籤尺寸和海明距離組成。

前面的數字表示標籤尺寸（Size of tag code），即標籤的二維碼內部格子數量，決定了編碼的容量與資訊密度。尺寸越大，標籤包含的資訊越多，但檢測難度也越高。

後面的數字（如 h11、h9、h5）代表海明距離（Hamming Distance），表示標籤之間最小的位元（bit）錯誤距離。數值越大，標籤之間區別的可靠性越高，但可用的標籤數量會減少。
常用系列：
- Tag36h11 / Tag25h9 / Tag16h5：這些是最常用的系列，具有較高的錯誤檢測能力，因此能提供較強的穩健性。在一定程度上可以容忍遮擋或噪音的干擾。適合大部分的應用場景，例如機器人定位和追蹤。尺寸上 Tag36h11 > Tag25h9 > Tag16h5，錯誤檢測能力 Tag36h11 > Tag25h9 > Tag16h5，解碼速度 Tag36h11 < Tag25h9 < Tag16h5。
- TagStandard41h12 / TagStandard52h13：這兩個系列的標籤具有非常強的錯誤檢測能力，因此適合用在複雜環境中，但是解碼速度就會比其他系列慢。
- TagCircle21h7 / TagCircle49h12：這些標籤具有圓形設計，適合某些需要圓形標記的情境。

Gazebo 裡的 Apriltag

除了設計出一系列的視覺圖樣之外，研究團隊也推出 AprilTag 開源函式庫，裡面包含了偵測標籤、計算相對位置和方位等功能，函式庫本身輕巧且容易移植，甚至在手機的處理器上都可以即時運作。

取得 Apriltag 的圖形

官方已經將所有的標籤都放上 GitHub 儲存庫 apriltag-imgs，裡面包含一個轉換程式 tag_to_svg.py。

安照官方指示取得需要的標籤 SVG 向量圖檔，接著用線上的轉換工具轉換成 PNG 圖檔，就可以拿去放到 Gazebo 中了。

製作 Apriltag 模型

在之後的模擬中，我會使用 Tag36h11 這個系列的標籤來製作定位標記模型。根據 Day 16 介紹過的製作模型的方法，我示範建立一個 apriltag_36h11_0_board 的模型（使用圖檔 tag36h11_0000.png），它會是一個貼上 Apriltag 標籤的薄版。

前往 models 目錄，新增模型資料夾 apriltag_36h11_0_board ，接著在裡面建立 model.config、model.sdf、materials/scripts/36h11_0.material 和 materials/textures 資料夾。

模型 SDF：

在 model.sdf 加入內容如下：

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.5">
    <model name="apriltag_36h11_0_board">
        <static>false</static>
        <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
        <link name="base_link">
            <inertial>
                <mass>0.03</mass>
                <inertia>
                    <ixx>0.005</ixx>
                    <iyy>0.005</iyy>
                    <izz>0.005</izz>
                </inertia>
            </inertial>

            <collision name="collision">
                <geometry>
                    <box>
                        <size>1 1 0.01</size> 
                    </box>
                </geometry>
                <surface>
                    <friction>
                        <ode>
                            <mu>100</mu>
                            <mu2>50</mu2>
                        </ode>
                    </friction>
                </surface>
            </collision>

            <visual name="visual">
                <cast_shadows>true</cast_shadows>
                <geometry>
                    <box>
                        <size>1 1 0.01</size>
                    </box>
                </geometry>
                <material>
                    <script> <!-- 使用 Apriltag 圖檔 -->
                        <uri>model://apriltag_36h11_0_board/materials/scripts</uri>
                        <uri>model://apriltag_36h11_0_board/materials/textures</uri>
                        <name>Apriltag/Tag36h11_0</name>
                    </script>
                </material>
            </visual>
        </link>
    </model>
</sdf>

模型貼圖設置：

在 materials/scripts 目錄下建立 36h11_0.material 材質描述檔，這類型的檔案是使用 Ogre3D 材質腳本語言寫的，Gazebo 使用這種檔案來呈現模型的材質和外觀。

36h11_0.material 內容如下：
```
material Apriltag/Tag36h11_0
{
    technique
    {
        pass
        {
            ambient 0.5 0.5 0.5 1.0
            diffuse 1.0 1.0 1.0 1.0
            apecular 0.0 0.0 0.0 1.0 0.5

            texture_unit
            {
                texture ../textures/tag36h11_0000.png
                filtering trilinear
            }
        }
    }
}
```
接著將剛才轉換好的 AprilTag 圖檔 tag36h11_0000.png 放入 materials/textures，這樣我們就有一個 AprilTag 的模型了。