基于ROS系統(tǒng)的智能導(dǎo)航機(jī)器人

陳濤　南喧陽(yáng)　陳然　孫文匯

摘要：瓦力機(jī)器人是基于ROS系統(tǒng)的智能導(dǎo)航機(jī)器人。可以自主構(gòu)建室內(nèi)2D模型，利用體感攝像頭識(shí)別物體將其得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)發(fā)送給雷達(dá)，雷達(dá)對(duì)其實(shí)現(xiàn)空間匹配，然后通過(guò)SLAM算法計(jì)算并構(gòu)建出空間模型。將機(jī)器人的三維模型手動(dòng)構(gòu)建以后，映射到雷達(dá)構(gòu)建的空間模型中，再使用主題于節(jié)點(diǎn)的相互形式以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。最后將深度攝像頭探取的物體描述通過(guò)兩個(gè)六自由度機(jī)械臂以及履帶式底盤(pán)對(duì)其不定點(diǎn)的抓取。

關(guān)鍵詞：ROS激光雷達(dá)深度攝像頭Arduino樹(shù)莓派編碼電機(jī)

前言

目前，工業(yè)機(jī)器入主要負(fù)責(zé)焊接、噴涂、搬運(yùn)等重復(fù)性勞動(dòng)密集型工作。這種工業(yè)機(jī)器人確實(shí)提高了一些企業(yè)的工作效率，節(jié)約了成本，擴(kuò)大了企業(yè)的效益，但是對(duì)于上班族來(lái)說(shuō)卻毫無(wú)用處。因此，我們?cè)O(shè)想并簡(jiǎn)單地制造了一個(gè)機(jī)器人 ROS機(jī)器人。它將來(lái)可以用于辦公室、家庭和其他地方。

ROS平臺(tái)提供了協(xié)議和軟硬件環(huán)境的SLAM技術(shù)服務(wù)。機(jī)器人形態(tài)是一種軟硬件結(jié)合的服務(wù)產(chǎn)品。它為地圖建模和應(yīng)用提供了一站式的軟件節(jié)點(diǎn)和教程，并擴(kuò)展了更多的硬件支持，以滿足不同場(chǎng)景的需求。利用SLAM來(lái)收集室內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)大型的公共服務(wù)機(jī)器人地圖建模和室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)商。數(shù)據(jù)服務(wù)可應(yīng)用于學(xué)校、商場(chǎng)、體育場(chǎng)館、博物館等場(chǎng)所的服務(wù)機(jī)器人，具有跨場(chǎng)景功能，無(wú)需重復(fù)建模，類似于汽車導(dǎo)航中使用的地圖數(shù)據(jù)服務(wù)。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)ROS框架云機(jī)器人，它的大部分智能模塊通過(guò)云服務(wù)提供算法服務(wù)。根據(jù)ROS協(xié)議機(jī)器人的下游應(yīng)用開(kāi)發(fā)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的構(gòu)件構(gòu)建自己的智能機(jī)器人，服務(wù)于各行各業(yè)，走進(jìn)每個(gè)客廳，

1 ROS系統(tǒng)Arduino庫(kù)的安裝

rosarduino_bridge功能包集包括了Arduino庫(kù)（ROSArduinoBridge）和一系列用來(lái)控制基于Arduino的ROS功能包，它使用的是標(biāo)準(zhǔn)的ROS消息和服務(wù)。這個(gè)功能包集的功能包括：支持ping聲吶和Sharp紅外線傳感器;從通用的模擬和數(shù)字信號(hào)的傳感器讀取數(shù)據(jù);控制數(shù)字信號(hào)的輸出;支持PWM舵機(jī)控制;basecontroller利用git clone https：//github.com/hbrobotics/

rosarduino-bride.git，然后拷貝Arduino庫(kù)文件到相應(yīng)的Arduino IDE的libraries目錄，根據(jù)自己的需求改代碼，配置機(jī)器人的參數(shù)，拷貝一份新的配置文件，改里面的參數(shù)，主要修改就是啟用base Controller，修改PID參數(shù)，修改機(jī)器人的參數(shù)，在新終端下，發(fā)布Twist消息來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)行。接下來(lái)就是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤(pán)線速度和角速度的標(biāo)定以及該驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的獨(dú)立PID調(diào)速。

2基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)造地圖

激光雷達(dá)具有測(cè)量精度高的顯著特點(diǎn)，是測(cè)量距離非常好的選擇，但同時(shí)他也具有功耗高成本高等缺點(diǎn)，目前普遍使用的2D的激光雷達(dá)，智能測(cè)量一個(gè)平面內(nèi)周圍的距離，雷達(dá)采用USB接口的方式與樹(shù)莓派相連起到供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔谩?/p>

將雷達(dá)的驅(qū)動(dòng)包放到src目錄下編譯，建圖現(xiàn)在普遍用的gmappmg和hector slam兩個(gè)包分別來(lái)構(gòu)建地圖，兩個(gè)包的主要區(qū)別在于需不需要里程計(jì)數(shù)據(jù)。

2.1使用hector slam構(gòu)建地圖

安裝hector slam （sudo apt-get install roskinetic-hectorslam），然后編寫(xiě)hector slam啟動(dòng)launch文件需要注意的一點(diǎn)需要在launch文件中編寫(xiě)一個(gè)static tf類型basejrame2_laser坐標(biāo)，建立底盤(pán)與激光雷達(dá)坐標(biāo)系的映射。啟動(dòng)launch文件，可以通過(guò)鍵盤(pán)控制機(jī)器人的移動(dòng)構(gòu)建地圖。

2.2使用gmapping繪制地圖

安 裝slam_gmapping （sudo aptget install roskineticslam-gmapping） .gmapping建圖和hector slam差不多，但是需要到里程計(jì)數(shù)據(jù)。也是通過(guò)啟動(dòng)Iaunch文件，使用鍵盤(pán)控制機(jī)器人的移動(dòng)。然后執(zhí)行地圖生成命令。

3體感攝像頭對(duì)圖像的識(shí)別和圖像處理

kinect攝像頭的工作原理其實(shí)和人的眼睛很相似。當(dāng)光線照射物體，物體上的光線反射通過(guò)人的晶狀體聚焦，在視網(wǎng)膜上就可以形成圖像，然后視網(wǎng)膜的神經(jīng)感知到圖像將信息傳到大腦，我們就能看見(jiàn)東西了。攝像頭的原理和扎爾格過(guò)程非常的相似，光線照射物體，物體上的光線反射通過(guò)鏡頭聚焦，圖像傳感器就會(huì)感知到圖像。得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳送給雷達(dá)，從而使雷達(dá)對(duì)其進(jìn)行空間匹配。

4上位機(jī)功能模塊的設(shè)計(jì)

瓦力選用了樹(shù)莓派為主控制器，一個(gè)USB 2.O接口與ArduinoUNO的USB Type B接口連接，通過(guò)串口方式發(fā)送命令給ArduinoUNO，此USB接口同時(shí)給Ardunio UNO供電，一個(gè)USB 2.O接口與激光雷達(dá)的USB Micro連接，激光雷達(dá)通過(guò)串口的方式發(fā)送激光數(shù)據(jù)。～個(gè)USB2.O接口與Kinect攝像頭USB數(shù)據(jù)線連接。

樹(shù)莓派安裝ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，把底層驅(qū)動(dòng)的邏輯運(yùn)算放在樹(shù)莓派中處理。

因?yàn)閍rduino底層驅(qū)動(dòng)可用兩個(gè)功能包rosserial_arduino和rosarduino-bridge實(shí)現(xiàn)base controller，通過(guò)實(shí)踐證明ROSlib是非常占用arduino資源的，如果要訂閱TWist，同時(shí)發(fā)布TF，Odometry消息則至少需要3k的SRAM，。Arduino UNO只能作為接收Tvrist消息，來(lái)控制底盤(pán)，如果用rosserial_arduino做到完整的Base Controller就只能上Arduino Mega2560了這無(wú)疑會(huì)增加不少成本，所以盡量推薦使用rosarduino-bridg，把邏輯的運(yùn)算放在上位機(jī)上運(yùn)行，Arduino單純的作為硬件的控制器。

激光雷達(dá)和kinect攝像頭的控制和運(yùn)行也是基于樹(shù)莓派，主要用于SLAM算法構(gòu)建空間模型，amcl定位及move_base路徑規(guī)劃。

目前，基于幾何特征的環(huán)境地圖表示法，由于具有存儲(chǔ)空間簡(jiǎn)約、直觀、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是SLAM研究中應(yīng)用最廣的表示方法。

這一部分我們先進(jìn)行室內(nèi)2D模型的自主構(gòu)建，利用體感攝像頭識(shí)別物體將其得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)發(fā)送給雷達(dá)，雷達(dá)對(duì)其實(shí)現(xiàn)空間匹配，然后通過(guò)SLAM算法計(jì)算并構(gòu)建出空間模型。

amcl定位是arncl接收基于激光的地圖，激光掃描和tf變換消息，并輸出位姿估計(jì)在啟動(dòng)時(shí)，amcl根據(jù)提供的參數(shù)初始化其粒子濾波器。

move_base路徑規(guī)劃是指機(jī)器人按照某一性能指標(biāo)（如時(shí)間、距離、能量等）搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次優(yōu)路徑。

路徑規(guī)劃的方法主要是基于示例、基于行為和基于環(huán)境模型三種類型。在已有地圖的情況下，需要讓機(jī)器人能夠在地圖中定位的自己的位置，這就需要時(shí)用到ROS的ACML包來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)發(fā)布目標(biāo)位置通過(guò)movejoase來(lái)做路徑規(guī)劃，繞過(guò)障礙物到達(dá)目的地。

5總結(jié)分析

瓦力是基于ROS系統(tǒng)的機(jī)器人，以arduino做為底層驅(qū)動(dòng)，樹(shù)莓派做為上位機(jī)，結(jié)合激光雷達(dá)，深度攝像頭，六度自由機(jī)械臂的服務(wù)型機(jī)器人。

瓦力的使用性很廣泛，比如家里，老人小孩不方便行動(dòng)自己拿取東西都可以給瓦力發(fā)送指令;在辦公室，為為避免人員走動(dòng)，提高工作效率，可以對(duì)瓦力發(fā)送指令進(jìn)行相關(guān)資料或者物品的拿取;甚至可以應(yīng)用于各大會(huì)所、展覽等人員流動(dòng)較多的場(chǎng)所，瓦力可以實(shí)現(xiàn)代巡邏、代垃圾的拾取，甚至可以做到服務(wù)每個(gè)人。以上只是簡(jiǎn)單的幾個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，瓦力的這幾大功能完美的結(jié)合在一起，可以應(yīng)用于任何你需要的地方。