基于ROS系統(tǒng)自主路徑規(guī)劃與避障小車的研究

李陽 盧健 何耀幀

摘 要：自主導(dǎo)航與避障是目前移動小車的發(fā)展趨勢，本文采用的Fast-SLAM算法，導(dǎo)航和避障階段采用的全局路徑規(guī)劃A*算法和局部路徑規(guī)劃DWA算法。Arduino支持ROS主題的發(fā)送和接收，并執(zhí)行算法所發(fā)下來的指令，間接驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

關(guān)鍵詞：自主避障與導(dǎo)航；路徑規(guī)劃；Arduino；ROS

一、研究意義和目的

隨著機(jī)器人領(lǐng)域的快速發(fā)展，自主導(dǎo)航與避障技術(shù)發(fā)展越來越快，迫切需要一個(gè)通用的平臺來讓研究人員進(jìn)行二次開發(fā)?；赗OS系統(tǒng)的小車易于二次開發(fā)，研究人員可以在上面根據(jù)自己的需求來做各種各樣的開發(fā)，但是很多研究人員只是基于ROS系統(tǒng)來研究各種SLAM算法，但是卻沒有一個(gè)平臺來實(shí)現(xiàn)，本課題研究的就是如何利用開源的算法來搭建自己的小車。有了自己的ROS小車，我們就可以在上面來做很多的后續(xù)研究。

二、SLAM技術(shù)介紹

SLAM（即同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建）是移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主行走與避障的前提技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走的自主化就必須滿足三個(gè)基本條件，第一是需要知道自己的實(shí)時(shí)位置，第二預(yù)先建立地圖，第三就是路徑規(guī)劃。定位和制圖一般是同時(shí)進(jìn)行的。移動機(jī)器人在一個(gè)未知的環(huán)境中開始移動，通過自身攜帶的傳感器和里程計(jì)數(shù)據(jù)生成實(shí)時(shí)的狀態(tài)估計(jì)從而完成自身的定位。在定位的同時(shí)增量式完成地圖的構(gòu)建，為下面的路徑規(guī)劃提供依據(jù)。接下來就是路徑規(guī)劃，讓機(jī)器能在在已建好的地圖上快速地規(guī)劃出一條最優(yōu)路徑，并實(shí)時(shí)避開動態(tài)的障礙物。

本文主要利用基于粒子濾波的Fast-tslam，粒子濾波是結(jié)合了蒙特卡洛定位貝葉斯估計(jì)的濾波算法，F(xiàn)ast-SLAM算法主要是將每個(gè)粒子看成是對當(dāng)前狀態(tài)的真實(shí)估計(jì)，在任何時(shí)刻，它都會更新采樣的K個(gè)樣本粒子，保證實(shí)時(shí)的更新機(jī)器人的當(dāng)前位姿。Fast-SLAM算法可以用在非高斯分布的非線性隨機(jī)系統(tǒng)，而且計(jì)算量需求小，能夠很容易的計(jì)算出觀測值的重要性權(quán)重和運(yùn)動模型的采樣，F(xiàn)ast-SLAM完全可以滿足機(jī)器人導(dǎo)航和定位的實(shí)時(shí)性，在移動機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛。

路徑規(guī)劃從類型上有全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃就是機(jī)器人在已建立好的環(huán)境地圖m中快速地規(guī)劃處一條最優(yōu)路徑。全局路徑規(guī)劃主要有可視圖法、柵格法等，全局規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)比較完善，本文運(yùn)用的是A*算法。局部路徑規(guī)劃主要采用的是動態(tài)窗口法（DWA），它是在速度空間中采樣多組速度，并模擬機(jī)器人在這些速度下一定時(shí)間內(nèi)的軌跡，在采樣到多組的運(yùn)動軌跡之后，對運(yùn)動軌跡進(jìn)行評價(jià)，然后選取最優(yōu)軌跡所對應(yīng)的速度來驅(qū)動機(jī)器人前進(jìn)。

三、ROS系統(tǒng)和Arduino控制系統(tǒng)

ROS 會創(chuàng)建一個(gè)連接到所有進(jìn)程的網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)中的任何節(jié)點(diǎn)都可以訪問此網(wǎng)絡(luò)，并通過該網(wǎng)絡(luò)與其他節(jié)點(diǎn)交互，獲取其他節(jié)點(diǎn)發(fā)布的信息，并將自身數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。總之，ROS對所有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)通過消息來通信。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間使用服務(wù)之間直接通信，使用主題進(jìn)行間接通信。服務(wù)是多對一，主題是多對多的關(guān)系。

在機(jī)器人制圖過程中主要有激光掃描的數(shù)據(jù)和里程計(jì)數(shù)據(jù)，里程計(jì)數(shù)據(jù)主要有編碼器提供。激光采集到的數(shù)據(jù)和里程計(jì)數(shù)據(jù)有各自的節(jié)點(diǎn)處理，SLAM算法則運(yùn)行在另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過訂閱和發(fā)布主題來進(jìn)行通信，能夠互相之間互不干擾地接收和發(fā)布消息。這能就能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器之間的實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的同步性，即使其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤也不會影響其他節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系，從而保證節(jié)點(diǎn)之間的獨(dú)立性。

Arduino是一個(gè)開源的電子平臺，它支持多種操作系統(tǒng)，支持C語言的開發(fā)環(huán)境。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制電平高低和電壓的高低來控制燈光，馬達(dá)和其他裝置，板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，從而來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。Arduino IDE支持在linux系統(tǒng)上運(yùn)行，因此我們可以把它融入到ROS網(wǎng)絡(luò)中，建立Arduino節(jié)點(diǎn)，接收ROS網(wǎng)絡(luò)中的主題，通過接收到cmd_vel消息中導(dǎo)航算法期望的前進(jìn)線速度和角速度，然后把收到的線速度和角速度轉(zhuǎn)化為小車左右輪的速度。經(jīng)過Arduino開發(fā)板的計(jì)算，從而做到對小車按照自己算法要求的速度前進(jìn)。通過Arduino不斷的執(zhí)行上層導(dǎo)航算法發(fā)出來的線速度和角速度命令，然后通過發(fā)送主題消息，Arduino不斷地反饋小車的當(dāng)前線速度和角速度給上層算法，然后由上層導(dǎo)航算法來確定下一步的運(yùn)動，從而完成小車的自主導(dǎo)航和避障。

四、總結(jié)

本課題主要對如何搭建ROS小車進(jìn)行了深入研究，研究了實(shí)現(xiàn)小車制圖和定位所用的Fast-SLAM，F(xiàn)ast-SLAM相對于其它SLAM算法有著較快的運(yùn)算速度，能滿足大部分的硬件需求。路徑規(guī)劃采用A*算法，它能在短時(shí)間內(nèi)迅速尋找出一條最優(yōu)路徑，然后局部路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)自主避開動態(tài)障礙物，Arduino開發(fā)板接收上層算法發(fā)下來的指令，然后經(jīng)過機(jī)器運(yùn)動模型分解到左右輪的速度，然后經(jīng)過驅(qū)動板驅(qū)動電機(jī)按照目標(biāo)速度來執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自主導(dǎo)航與避障。并從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了自己方法的可行性。本文從全局角度分析了ROS小車的各個(gè)模塊，研究者可以按照上述的模塊快速的搭建自己的ROS小車，也根據(jù)需要研究需要驗(yàn)證自己的SLAM算法，能為研究者提供一個(gè)良好的研究平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳卓，蘇衛(wèi)華，安慰寧，秦曉麗.移動機(jī)器人SLAM與路徑規(guī)劃在ROS框架下的實(shí)現(xiàn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2017（02）.

[2]安峰.基于開源操作系統(tǒng)ROS的機(jī)器人軟件開發(fā)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017（05）.

[3]林海，陳俊同，陳家裕，王康澤.基于ROS的無線圖傳小車設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械工程師，2016（05）.