基于ROS的救援船體機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

吳志鵬，廖志青，冼嘉媚，曾奕雄，何 威

（華南理工大學廣州學院，廣東 廣州 515000）

0 前言

中國南方地區(qū)夏季多雨，特別是長江流域容易發(fā)生洪災(zāi)；東南沿海地區(qū)還會受到臺風的影響，容易引發(fā)洪水、泥石流等次生災(zāi)害；夏季城市容易發(fā)生內(nèi)澇。由于洪澇災(zāi)害的危害性很大，它不僅對經(jīng)濟造成嚴重的損失，而且還奪取了人類的生命。為了解決這個問題，設(shè)計了救援船體機器人，由第一代清潔船體機器人（圖1）迭代升級，將垃圾清潔裝置改為機械臂、拋射器和收繩器，由拋射器加機械臂的結(jié)構(gòu)精準拋射出救生圈，對溺水人員實施救援。

本救援船體機器人中的控制系統(tǒng)有效地解決了救援船體的控制問題，致力于更好的后期算法開發(fā)。系統(tǒng)使用基于Linux操作系統(tǒng)上的ROS機器人操作系統(tǒng)，下位機使用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位高性能微控制器STM32F103ZET6為主控制芯片，為底層電機等運動原件提供控制[1]。救援船體機器人所要求的功能為救援動作的實施，如救生圈拋置、機器手拋擲、船體運動、圖像傳輸、路徑處理等功能，通過對各項功能進行分析得出將ROS機器人操作系統(tǒng)移植到救援船體機器人上的方案是可以實施的，并且將大大降低對執(zhí)行機構(gòu)信息處理的要求，轉(zhuǎn)為對微型電腦的要求。

對于救援船體機器人使用ROS機器人操作系統(tǒng)，一是便于搭建框架整體，二是便于日后升級迭代產(chǎn)品[2]，使救援船體機器人可以與時俱進，增添不同模塊，適用于不同水域不同情況。下面對設(shè)計過程進行闡述。

圖1 初代清潔船

1 救援船硬件系統(tǒng)設(shè)計

為了救援船實現(xiàn)圖片傳輸、路徑規(guī)劃、船體控制和機械臂控制等功能，下位機芯片使用STM32F103ZET6控制芯片?？刂品绞绞峭ㄟ^上位機PC端發(fā)出協(xié)議擬定的命令到下位機STM32串口，下位機STM32已經(jīng)寫好指定動作，如收到0x7F010X120103BCC的串口數(shù)據(jù)則螺旋槳正轉(zhuǎn)等，同過上位機發(fā)送不同的指令，實現(xiàn)對清潔船體控制。

1.1 下位機芯片STM32F103ZET6的開發(fā)

圖2所示為STM32F103ZET6開發(fā)系統(tǒng)圖，該芯片具有64KB SRAM、512KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共 12個通道）、3個 SPI、2個 IIC、5個串口、1個USB、1個 CAN、3個 12位 ADC、1個 12位 DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用IO口[3]。

STM32特點：外設(shè)豐富，STM32擁有包括FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC、DMA等眾多外設(shè)及功能，具有極高的集成度；優(yōu)異的實時性能，84個中斷，16級可編程優(yōu)先級，并且所有的引腳都可以作為中斷輸入；杰出的功耗控制。STM32各個外設(shè)都有自己的獨立時鐘開關(guān)，可以通過關(guān)閉相應(yīng)外設(shè)的時鐘來降低功耗；支持SWD和JTAG兩種調(diào)試口。SWD調(diào)試可以為你的設(shè)計帶來跟多的方便，只需要2個IO口，即可實現(xiàn)仿真調(diào)試。該開發(fā)板的部分參數(shù)如下：

（1）板子外形 10 mm×8 mm；

（2）主芯片 STM32F103RCT6（64腳）；

（3）電源RTC后備電池座；

（4）2個USB取電口；

（5）5 V電源接口；

（6）3.3 V電源接口；

外擴8MB SPI FLASH（W25Q65）和外擴EEPROM 24CO2 SPI；

主芯片 STM32F103RCT6（64腳）；

芯片 FLASH：256K和芯片SRAM：48K.

圖2 STM32 F103開發(fā)系統(tǒng)圖

1.2 硬件總體框圖設(shè)計

為了更好地闡述救援船硬件部分內(nèi)容，將救援船系統(tǒng)劃分為幾大系統(tǒng)。救援船體系統(tǒng)由上位機系統(tǒng)、下位機主控系統(tǒng)、機械臂控制器、船體運動控制器組成的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。在下位機各個系統(tǒng)配置了多種編碼器、傳感器，用于船體、機械臂等。并且設(shè)置遠程遙控器和圖傳模塊，以便進行人機交互的功能。

圖3 硬件總框架

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對機器人的設(shè)計研究的過程中，主要是根據(jù)機器人所要實現(xiàn)的三個功能進行設(shè)計，分別是：拋射救生圈功能、回收救生圈、遠程遙控功能。

在初代清潔船的基礎(chǔ)上將傳送帶等清潔功能移除，改為一個三軸機械臂，再在機械臂上安裝一個拋射器，拋射器安裝有一個氣壓發(fā)射裝置，通過觸動開關(guān)，拋射一個帶有繩子的救生圈，通過機械臂關(guān)節(jié)的移動來改變拋射器的拋射角度，從而達到精準救援，再在救援船底部安裝一個由直流無刷電機組成的收繩器，通過電機正轉(zhuǎn)，達到收繩的功能。

船體左右對稱分布，船架則為支撐整個船體，船架通過六個定點連接兩側(cè)浮筒，限制多個自由度，防止上下左右出現(xiàn)松動情況，更加穩(wěn)固。對于受力負荷過強的部分船架（如：傳動機構(gòu)板塊、調(diào)節(jié)機構(gòu)板塊）采用三角形定理，增加支架，使得承受負載增大不易變形。船架材料采用硬鋁為主，合金鋼為輔（部分高強度部位），用以減輕整體船重，同時長時間在水中作業(yè)要避免被腐蝕。螺旋槳動力部分負責驅(qū)動機器人前進（如圖4），螺旋槳的轉(zhuǎn)向由另一個直流無刷電機負責，動力部分安裝有伺服驅(qū)動、16位絕對式編碼器、霍爾傳感器來確保轉(zhuǎn)向準確。

圖4 動力系統(tǒng)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在操作者控制下，操作者通過遠程攝像頭了解方位與救援需求，通過遠程遙控器發(fā)射指定信號到PC端，經(jīng)過ROS信號觸發(fā)，發(fā)布消息到串口節(jié)點，再由串口節(jié)點發(fā)送指令到STM32控制板中，實現(xiàn)控制精準拋投器拋射救生圈。通過攝像頭判斷出溺水人員已經(jīng)成功抓牢救生圈時，通過遠程遙控器發(fā)送指令到PC端，再由PC端發(fā)布消息到串口節(jié)點，由串口節(jié)點發(fā)送電機回收指令，使收繩器啟動，回收救生圈。

3.1 控制系統(tǒng)初始化

當PC機啟動時，預(yù)先寫好在Service文件中的launch文件會啟動，即ROS各個節(jié)點程序啟動，開始于下位機通訊，發(fā)送指令初始化下位機stm32，包括：時鐘、GPIO、串口、LCD、中斷及其分組、延時函數(shù)、定時器、字庫等的初始化。后等待遙控器的指令，啟動救援船體機器人。

3.2 串口通信

通信部分主要由USART利用STM32內(nèi)部串口的資源來實現(xiàn)PC端ROS操作系統(tǒng)和下位機的數(shù)據(jù)傳遞指令的下達，搖桿遙控帶接收器采用433通訊傳輸方式發(fā)送數(shù)據(jù)到PC端ROS操作系統(tǒng)。在linux系統(tǒng)上使用ROS平臺進行上層與下層通訊，使用編程語言C++為基礎(chǔ)，調(diào)用serial庫與下位機STM32進行串口通訊。定義發(fā)送至下位機的信息，即x、y軸的速度以及方向角，從ROS中的cmd_vel主題獲取發(fā)布速度以及方向角，并將方向角轉(zhuǎn)化為四元數(shù)，將以上所有信息加上兩個停止位存儲至列表。初始化串口信息，設(shè)置端口號、波特率、通信字節(jié)位數(shù)等。首先測試是否能成功連接串口，若成功則將存儲速度以、方向四元數(shù)以及停止位的列表發(fā)送至下位機，如不成功則拋出響應(yīng)問題。接收下位機傳輸至上位機的信息，對其信息進行解析，可以初略得出救援船體機器人當前所在位置，使用其他傳感器更加精確定位。

3.3 圖傳模塊功能實現(xiàn)

圖傳模塊功能，通過5.8 G，200 mW圖傳發(fā)射器，發(fā)送攝像頭接收到的圖片數(shù)據(jù)，該發(fā)射器有40個頻點，頻率范圍在5.645 GHz~5.945 GHz，電壓輸入范圍7~24 V.圖傳接收器4.3寸接收顯示一體機，內(nèi)置靈敏度5.8 G接收器，接收頻率范圍為5.645 GHz~5.945 GHz，32頻點與5.8 G圖傳發(fā)射器匹配，要求攝像頭的圖像制式為NTSC內(nèi)置天線電池。

3.4 船體控制功能、機械臂控制功能實現(xiàn)

船體控制功能，下位機已經(jīng)封裝好各個不同執(zhí)行機構(gòu)的動作，如螺旋槳正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、機械臂旋轉(zhuǎn)、拋射器發(fā)射等，通過遙控器和圖傳模塊進行遠程人機交互操控，操控手柄選擇螺旋槳旋轉(zhuǎn)等不同動作，操控手柄發(fā)送信號到PC端ROS機器人操控系統(tǒng)通過USART通訊將人機交互結(jié)果發(fā)送至下位機STM32實現(xiàn)船體的位移。

STM32接收程序部分如下：

void USART1_IRQHandler（void）//′串口1中斷程序

{

u8 Res；

if（USART_GetITStatus（USART1 ， USART_IT_RXNE）！=RESET） //接收中斷

{

Res=USART_ReceiveData（USART1）； //讀取

if（Res==1）

{

ZX0=0；

ZX1=1；

}

else if（Res==2）

{

ZX0=1；

ZX1=0；

}

else if（Res==3）

{

}

else if（Res==4）

{

POWER=0；

OUT0=1；

YEL=0；

BLU=0；

OUT1=0；

YEL_K=1；

BLU_K=1；

OUT1_K=1；

POWER=1；

}

3.5 路徑規(guī)劃功能實現(xiàn)

路徑規(guī)劃功能，因為救援船體上安裝要激光雷達等多個傳感器，可以檢測出湖面礁石、障礙物等，通過傳感器下位機stm32串口返回的數(shù)據(jù)，救援船體機器人傳感器模塊ROS節(jié)點，使用GPS、imu以及下位機傳輸上來的里程計能進行更加精確的位置定位，使用激光雷達可以進行躲避障礙物的功能。安裝GPS，imu相對應(yīng)的驅(qū)動，使用C++編寫ROS節(jié)點，發(fā)布節(jié)點消息，使用ekf算法對GPS、imu以及里程計發(fā)布的消息進行融合得到更加精確的位置定位。激光雷達進行避障，在確定目標位置時使用global_costmap對總路徑進行規(guī)劃，并不斷更行，local_costmap本地路徑規(guī)劃，在救援船體機器人運行時出現(xiàn)障礙物的時候能及時規(guī)劃躲避路徑，完成躲避障礙物的功能。使用攝像頭進行圖像傳輸，安裝響應(yīng)節(jié)點，打開攝像頭，并且使用SSH遠程連接，則可以進行遠程圖像傳輸?？梢詫崟r的對水面以及救援船體機器人進行實況轉(zhuǎn)播，能及時了解船體以及水面當前情況。通過ROS節(jié)點處理，可以輕松避開障礙物等阻礙船體運行的物體，實現(xiàn)路徑規(guī)劃的功能。主要通過激光雷達實現(xiàn)即時的規(guī)劃躲避障礙物，防止救援船體與障礙物相撞，損壞船體。ROS有自帶navigation導航包，通過調(diào)用導航包，可以檢測出船體附件環(huán)境等，通過節(jié)點反饋，避開路障實現(xiàn)路徑規(guī)劃的功能如圖5所示。

圖5 避障測試

救援船體機器人平臺將運行ROS的PC作服務(wù)器端，主要負責復雜的計算和路徑規(guī)劃等復雜程度不一的任務(wù)。救援船體機器人由二級功能節(jié)點和任務(wù)控制等模塊組成，這樣系統(tǒng)可以在智能化和可靠性上都能滿足救援船體機器人的需求。ROS機器人操作系統(tǒng)平臺可用于開發(fā)一系列機器人系統(tǒng)，也可用于開發(fā)多機器人系統(tǒng)和非工業(yè)機器人系統(tǒng)，如足球機器人系統(tǒng)、服務(wù)類機器人系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)等。

4 結(jié)束語

救援船體機器人用STM32下位機和機器人開源操作系統(tǒng)ROS設(shè)計了一個救援船體機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先由機器人平臺主控制器對多種傳感器進行信息采集和整合，通過STM32各傳感器采集數(shù)據(jù)向上位機發(fā)送當前數(shù)據(jù)然后利用串口通信傳輸，并能遠程控制救援船體機器人進行精確移動，最后對救援船體機器人進行了系統(tǒng)調(diào)試和測試，通過對救援船體機器人進行參數(shù)校核和完善程序等過程，使機器人系統(tǒng)達到了預(yù)期的設(shè)計要求。