基于ROS的遠(yuǎn)程呈現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張華健，錢 鈞

ZHANG Hua-jian,QIAN Jun

（合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009）

0 引言

在機(jī)器人和互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展中，遠(yuǎn)程呈現(xiàn)技術(shù)[1]正在不斷改變我們的生活方式，廣泛應(yīng)用于安防、醫(yī)療、教育、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程會(huì)議等領(lǐng)域。遠(yuǎn)程呈現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人[2]是一個(gè)集成了視頻通信和遙控功能的移動(dòng)的機(jī)器人，用戶可以通過視頻通信功能與他人通信，并通過遙控功能控制機(jī)器人的行走和其他動(dòng)作，來達(dá)到替代人物虛擬出場(chǎng)的目的。在眾多的移動(dòng)機(jī)器人的研究中，如Cambridge公司推出的VGO機(jī)器人[3]、上海交大醫(yī)學(xué)院的艾菲仕醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人[4]等，雖然這些機(jī)器人功能強(qiáng)大，但價(jià)格昂貴，在代碼的復(fù)用性和移植性方面表現(xiàn)得比較差，不利于二次開發(fā)和維護(hù)。

針對(duì)這些不足，本研究以機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）[5]為軟件平臺(tái)，搭建一款低成本、高性能、開源的遠(yuǎn)程呈現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)其軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 本體設(shè)計(jì)

為了便于設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思想，移動(dòng)機(jī)器人采用三輪機(jī)構(gòu)，其中，前輪為主動(dòng)輪，采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)于一體的結(jié)構(gòu)方式，后輪使用兩個(gè)固定從動(dòng)輪。主動(dòng)輪集成了獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和減震的功能。同時(shí)，通過2個(gè)增量式編碼器可實(shí)時(shí)測(cè)得驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向角度。下位機(jī)為Beaglebone Black開源控制器；上位機(jī)包括裝有ROS和Ubuntu系統(tǒng)的工控機(jī)和作為遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的可聯(lián)網(wǎng)PC機(jī)和遙桿，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程呈現(xiàn)和控制。機(jī)器人系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)組成

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

本研究的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

以移動(dòng)機(jī)器人的兩后輪中心連線的中點(diǎn)O1作為參考點(diǎn)，結(jié)合文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]可將運(yùn)動(dòng)學(xué)模型描述為：

由此可知，只要知道移動(dòng)機(jī)器人的初始位姿，就可通過遞推求得任意時(shí)刻移動(dòng)機(jī)器人的位姿。

1.3 硬件系統(tǒng)

移動(dòng)機(jī)器人的硬件系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，其硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

上位機(jī)使用工控機(jī)和PC機(jī)，工控機(jī)裝有Ubuntu操作系統(tǒng)和機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS），負(fù)責(zé)人機(jī)交互，便于進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、機(jī)器人控制和軟件集成，同時(shí)，通過Kinect[8]視覺傳感器和單目攝像頭實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知能力；PC機(jī)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和獲取機(jī)器人的臨場(chǎng)環(huán)境，采用任意可聯(lián)網(wǎng)的筆記本電腦即可。下位機(jī)主要由主控制器、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊和電源模塊組成。主控制器采用基于ARM-Cortex A8內(nèi)核的嵌入式處理器BeagleBone Black[9]，主要負(fù)責(zé)控制指令的執(zhí)行和部分傳感器數(shù)據(jù)的采集；驅(qū)動(dòng)模塊由MAXON RE40直流伺服電機(jī)和ELMO的SimplIQ系列的驅(qū)動(dòng)器組成；傳感器模塊由安裝在同步帶輪的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和倍加福的 UB4000-F42-U-V15系列的超聲波傳感器組成。

2 移動(dòng)機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到移動(dòng)機(jī)器人能否正常實(shí)現(xiàn)其功能，以及運(yùn)行的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和魯棒性等[10]。如圖4所示，整個(gè)軟件系統(tǒng)可分為上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括PC和工控機(jī)，其中工控機(jī)軟件系統(tǒng)是在Ubuntu環(huán)境下，基于ROS框架搭建，具有運(yùn)動(dòng)決策、圖像處理、數(shù)據(jù)處理等功能，PC作遠(yuǎn)程呈現(xiàn)和控制；下位機(jī)通過SOCKET與上位機(jī)通信，主要接收運(yùn)動(dòng)指令和發(fā)送相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、超聲波和編碼器數(shù)據(jù)獲取和傳輸。

圖4 軟件系統(tǒng)框圖

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)中主要由PC機(jī)和工控機(jī)組成。工控機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)決策、圖像處理、數(shù)據(jù)處理；PC機(jī)與工控機(jī)通信后獲取圖像信息，用于遠(yuǎn)程呈現(xiàn)和控制。軟件設(shè)計(jì)框架如圖5所示。

在運(yùn)動(dòng)決策中，考慮到移動(dòng)機(jī)器人安全問題，初步采用2個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行避障，由于超聲波的采樣頻率比較低，當(dāng)速度超過0.4m/s時(shí)，就無法進(jìn)行實(shí)時(shí)的避障，結(jié)合Kinect攝像頭的深度信息和超聲波數(shù)據(jù)，進(jìn)行分級(jí)減速，即可達(dá)到避障目的。其設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖5 上位機(jī)軟件框架

圖6 避障流程圖

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要用來接收運(yùn)動(dòng)指令和傳遞編碼器、超聲波數(shù)據(jù)。BeagleBone Black（BBB）控制器具有ADC、UART、I2C、SPI、PWM、GPIO等接口，這得BBB在機(jī)器人控制方面有很大優(yōu)勢(shì)，擬采用BBB作為下位機(jī)控制電機(jī)和傳感器數(shù)據(jù)采集的設(shè)備。由于BBB內(nèi)部裝有Debian系統(tǒng)，為了合理利用資源、程序的可擴(kuò)展性和減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)誤差，采用線程的方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。主線程主要運(yùn)行套接字通訊程序，發(fā)送和接收相關(guān)數(shù)據(jù)、指令；4個(gè)子線程主要用作超聲波數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送、編碼器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制。

由于本文設(shè)計(jì)的模塊化車輪結(jié)構(gòu)上具有耦合，當(dāng)存在轉(zhuǎn)向時(shí)，需要進(jìn)行速度補(bǔ)償來消除這種耦合現(xiàn)象，其公式如式(3)所示。本研究采用脈沖控制方式，占空比始終為50%，其中b為轉(zhuǎn)向指令，DP為驅(qū)動(dòng)脈沖周期，TP為轉(zhuǎn)向脈沖周期，DP'為速度補(bǔ)償后的驅(qū)動(dòng)脈沖周期。

3 遠(yuǎn)程呈現(xiàn)與控制

遠(yuǎn)程圖像傳輸與控制是遠(yuǎn)程呈現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的一項(xiàng)基本功能[11]。簡(jiǎn)單的方法是采用雙ROS之間的通信機(jī)制來實(shí)現(xiàn)PC與工控機(jī)之間通信，該方法只需簡(jiǎn)單的配置即可實(shí)現(xiàn)通信，但該方法局限于兩臺(tái)電腦都要裝有ROS和Linux系統(tǒng)，且需在同一局域網(wǎng)內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)通信。針對(duì)這類局限性，本文采用蒲公英VPN第三方軟件構(gòu)建異地虛擬局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同局域網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的遠(yuǎn)程呈現(xiàn)和控制。

在圖像傳輸和運(yùn)動(dòng)指令收發(fā)中，采用C/S通信模式。服務(wù)器端和遠(yuǎn)程客戶端均采用線程方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在圖像傳輸中，自定義傳輸類型，包括校驗(yàn)碼、每秒幀數(shù)、圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，這樣可避免圖像接收過程中的數(shù)據(jù)發(fā)生紊亂。

服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)如圖7所示，其中，圖像傳輸線程主要通過OpenCV模塊進(jìn)行攝像頭數(shù)據(jù)采集，以每秒24幀、分辨率調(diào)到640×480，則攝像頭傳輸視頻所需要的速率為1.2Mbps，為減小數(shù)據(jù)傳輸量，將壓縮成JPEG格式[12]，然后按照自定義的傳輸類型進(jìn)行打包編碼傳輸；指令收發(fā)線程接收運(yùn)動(dòng)指令，在ROS中轉(zhuǎn)化為自定義消息類型，然后利用“話題”的方式發(fā)布出去。遠(yuǎn)程客戶端程序和服務(wù)器端類似，圖像傳輸線程主要接收?qǐng)D像信息，解包、解碼后利用OpenCV播放；指令發(fā)送線程利用Pygame模塊獲取搖桿數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)送給服務(wù)器端。

圖7 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)流程圖

4 移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程呈現(xiàn)和控制。將工控機(jī)和Beaglebone Black控制器連接同一個(gè)局域網(wǎng)，PC機(jī)連接4G網(wǎng)（保證PC與工控機(jī)在不同局域網(wǎng)內(nèi)），工控機(jī)和PC機(jī)上分別運(yùn)行同一賬號(hào)的蒲公英VPN軟件后，在Beaglebone Black控制器運(yùn)行下位機(jī)程序，工控機(jī)中通過ROS啟動(dòng)所有節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器端程序，PC機(jī)中運(yùn)行遠(yuǎn)程客戶端程序，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程呈現(xiàn)和控制。

4.1 避障測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人避障實(shí)驗(yàn)中，采用Kinect的深度攝像頭，如圖8所示，對(duì)深度信息進(jìn)行圖像處理后，當(dāng)檢測(cè)到1m范圍內(nèi)有障礙物信息并且障礙物面積達(dá)到給定值后，通過ROS生成一個(gè)指令消息并發(fā)送出去，在基于ROS的運(yùn)動(dòng)決策程序中，結(jié)合Kinect深度信息和超聲波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的避障決策。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，結(jié)合Kinect和超聲波基本可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障。

圖8 深度攝像頭測(cè)得障礙物輪廓

4.2 指令延時(shí)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本研究中的一個(gè)運(yùn)動(dòng)指令包括轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)觸發(fā)3個(gè)參數(shù)，這3個(gè)參數(shù)由遙桿的兩個(gè)軸和一個(gè)按鈕組成。當(dāng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)指令從遙桿發(fā)送出去時(shí)，各參數(shù)從發(fā)布到底層控制器接收所需要的時(shí)間主要包括遠(yuǎn)程PC機(jī)與工控機(jī)以及工控機(jī)與底層控制器（BBB）之間指令傳輸時(shí)間。利用時(shí)間戳的方式，編寫一段測(cè)試程序，測(cè)出20次這兩段時(shí)間內(nèi)一個(gè)指令發(fā)布的延時(shí)時(shí)間，結(jié)果如圖9所示。由于在數(shù)據(jù)傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)具有較大的波動(dòng)，圖中顯示數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)時(shí)高時(shí)低，可知一個(gè)指令發(fā)布最多需要53ms時(shí)間，基本滿足要求。

圖9 指令發(fā)布延時(shí)

4.3 圖像傳輸實(shí)時(shí)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本研究的圖像傳輸產(chǎn)生延時(shí)的環(huán)節(jié)包括：視頻采集與編碼、發(fā)送給遠(yuǎn)程客戶端的傳輸、遠(yuǎn)程客戶端的播放。其中，延時(shí)消耗最大的是視頻采集與編碼和遠(yuǎn)程客戶端播放2個(gè)環(huán)節(jié)，它們都涉及到編碼、解碼部分；至于發(fā)送給給遠(yuǎn)程客戶端的傳輸過程屬于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與傳輸部分，耗時(shí)比較小，主要與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和程序有關(guān)，可采用TCP丟幀的方式減少長期的延時(shí)。采用精確到毫秒的計(jì)時(shí)器，測(cè)量在局域網(wǎng)內(nèi)圖像傳輸過程中的延時(shí)問題。結(jié)果如圖10所示。由于網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)影響，圖像傳輸延時(shí)在100ms～600ms之間，滿足視頻傳輸要求，能進(jìn)行基本的雙向互動(dòng)。不同局域網(wǎng)內(nèi)，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和波動(dòng)影響，測(cè)得圖像傳輸延時(shí)約為2s，僅適合單向觀看。

圖10 圖像傳輸延時(shí)

5 結(jié)語

本研究結(jié)合Linux系統(tǒng)和開源機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS，設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本、可擴(kuò)展、高性能的開源移動(dòng)機(jī)器人。該移動(dòng)機(jī)器人在同一局域網(wǎng)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)低延時(shí)的遠(yuǎn)程圖像傳輸和控制，同時(shí)結(jié)合超聲波傳感器和Kinect深度信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的避障。后續(xù)將在不同局域網(wǎng)內(nèi)，針對(duì)降低圖像傳輸延時(shí)問題進(jìn)行深一步的研究。