基于ROS的服務(wù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

孫弋 張松

摘? 要： 針對(duì)服務(wù)機(jī)器人服務(wù)業(yè)務(wù)的無(wú)監(jiān)督實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）的智能服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括管理中心、機(jī)器人本體和客戶端，采用基于ROS系統(tǒng)的node節(jié)點(diǎn)分布式架構(gòu)。管理中心由服務(wù)器組成，管理中心是任務(wù)管理與執(zhí)行調(diào)度的核心組成部分，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各種資源進(jìn)行管理和調(diào)度，機(jī)器人本體使用高性能核心處理器搭載環(huán)境傳感器，通過(guò)基于EKF（擴(kuò)展卡爾曼濾波）的SLAM算法解決移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航問(wèn)題，客戶端與機(jī)器人本體的信息交互采用基于rosbridge的節(jié)點(diǎn)通信技術(shù)。機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音自主導(dǎo)航。本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境采用Turtlebot機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明本方案可以初步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人基礎(chǔ)服務(wù)場(chǎng)景中的自主定位與導(dǎo)航及語(yǔ)音控制功能。

關(guān)鍵詞： ROS;自主導(dǎo)航;服務(wù)機(jī)器人;人機(jī)交互

【Abstract】： Aiming at the unsupervised implementation of service robot service business， an intelligent service robot system based on ROS （Robot Operating System） is designed and implemented. The system includes management center， robot ontology and client， and adopts node node distributed architecture based on ROS system. Robot ontology uses high-performance core processor to carry environmental sensors. SLAM algorithm based on EKF （Extended Kalman Filter） is used to solve the navigation problem of mobile robots. Rosbridge-based node communication technology is used for information interaction between client and robot ontology. Robot system realizes speech autonomous navigation through voice interaction technology. The design uses Turtlebot robot to test in the laboratory environment. The test results show that the scheme can initially realize autonomous positioning， navigation and voice control functions in the basic service scenario of the robot.

【Key words】： ROS; Autonomous navigation; Service robot; Human-computer interaction

0? 引言

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人在服務(wù)行業(yè)開始得到廣泛應(yīng)用，服務(wù)機(jī)器人成為節(jié)約人力和經(jīng)濟(jì)成本，解決老齡人口護(hù)理等方面的一種可行方案[1]，服務(wù)機(jī)器人在特定場(chǎng)景下的應(yīng)用成為當(dāng)前機(jī)器人應(yīng)用研究領(lǐng)域的難點(diǎn)和重點(diǎn)，美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)與Intel公司共同研制出助老助殘的服務(wù)機(jī)器人，可以完成擺放桌椅、端茶端菜等基本的日常生活服務(wù)[2]，文獻(xiàn)[3]研制的Care-O-bot4機(jī)器人為應(yīng)對(duì)多樣性的環(huán)境而采用了模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)自身的攜帶傳感器識(shí)別特定人員的手勢(shì)或者語(yǔ)音來(lái)完成相應(yīng)的指定任務(wù)。上海交通大學(xué)研制出“交龍”餐廳仿人雙臂移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人利用人臉識(shí)別技術(shù)[4]可以和語(yǔ)音交互[5]。同時(shí)該機(jī)器人搭載激光雷達(dá)? 可用于室內(nèi)自主定位與導(dǎo)航[6]，可用于餐廳和展覽館。本文針對(duì)服務(wù)機(jī)器人在服務(wù)場(chǎng)景中自主導(dǎo)航? 及語(yǔ)音交互技術(shù)進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ROS[7]的服務(wù)型機(jī)器人以滿足在不同場(chǎng)景下完成服務(wù)任務(wù)。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)主要功能由管理中心、機(jī)器人本體和客戶端實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。管理中心由服務(wù)器組成、機(jī)器人本體采用高性能處理器作為主控板，嵌入式計(jì)算單元作為從控制器。主控制板負(fù)責(zé)各個(gè)子模塊，包括控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)底盤的運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)，機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)采集及處理、系統(tǒng)各功能模塊的數(shù)據(jù)交互及通信及服務(wù)業(yè)務(wù)的管理與實(shí)現(xiàn)等，從控制器負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)底盤相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)采集與處理和電機(jī)的實(shí)時(shí)控制等;客戶端系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)服務(wù)對(duì)象在服務(wù)區(qū)域內(nèi)服務(wù)任務(wù)的管理和人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體開發(fā)過(guò)程中，各模塊硬件以及軟件部分進(jìn)行模塊化開發(fā)，為今后的更新和后續(xù)升級(jí)提供? 便利。

（1）管理中心：管理中心由服務(wù)器承載，負(fù)責(zé)將服務(wù)機(jī)器人的任務(wù)信息進(jìn)行持久化及任務(wù)調(diào)度規(guī)劃。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，因此數(shù)據(jù)持久化的實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的任務(wù)管理與調(diào)度、系統(tǒng)性能分析等具有重要的意義。

（2）機(jī)器人主控模塊：即機(jī)器人的處理中心。本機(jī)器人采用interi5來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要接收服務(wù)對(duì)象的請(qǐng)求命令、任務(wù);機(jī)器人根據(jù)設(shè)定任務(wù)自主的導(dǎo)航和速度控制，并自主導(dǎo)航到指定服務(wù)區(qū)域。

（3）定位模塊：本文中定位模塊采用IMU模塊，達(dá)到機(jī)器人準(zhǔn)確的移動(dòng)到指定位置區(qū)域。

（4）避障模塊：為了避免機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生故障或碰撞，保障安全性，本系統(tǒng)在機(jī)器人上搭載激光雷達(dá)和碰撞檢測(cè)模塊，進(jìn)行障礙物判斷實(shí)時(shí)避障。

（5）運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊：主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)大功率直流減速電機(jī)組成。驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)主控制器發(fā)送控制命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

（6）客戶端系統(tǒng)：客戶端由平板電腦承載，實(shí)現(xiàn)觸摸、語(yǔ)音等人機(jī)交互，從而提高用戶體驗(yàn)。

2? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包含三個(gè)部分，分別為管理中心、服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)和客戶端。機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)服務(wù)機(jī)器人的動(dòng)作自主導(dǎo)航，完成服務(wù)功能;客戶端界面主要負(fù)責(zé)顧客的位置信息、發(fā)送請(qǐng)求服務(wù)指令等。

2.1? 管理中心

管理中心包括訪問(wèn)用戶管理模塊、服務(wù)管理模塊以及任務(wù)調(diào)度模塊。其主要功能有：

（1）信息管理：信息管理包含了對(duì)用戶的信息管理及服務(wù)業(yè)務(wù)的信息管理，常見有插入記錄、刪除記錄、更新記錄、清除數(shù)據(jù)和查詢記錄等。

（2）服務(wù)任務(wù)的調(diào)度：通過(guò)獲取和處理任務(wù)請(qǐng)求信息：負(fù)責(zé)提取請(qǐng)求（Request）中的信息，并根據(jù)請(qǐng)求類型調(diào)用相應(yīng)邏輯處理函數(shù);完成任務(wù)調(diào)? ?度規(guī)劃返回響應(yīng)（Response），管理中心設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2? 機(jī)器人本體軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人接受的消息主要包括目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)信息及機(jī)器人交互信息，機(jī)器人接受服務(wù)請(qǐng)求后明確目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)信息后導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境進(jìn)行機(jī)器人的導(dǎo)航，并將導(dǎo)航的處理結(jié)果以轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方式發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制層;運(yùn)動(dòng)控制層控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的控制，使機(jī)器人移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。服務(wù)機(jī)器人工作流程圖如圖3所示。

服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航過(guò)程中可能需要對(duì)原始地圖據(jù)處理，且可能會(huì)遇到一些靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物，需要實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人位置信息以及障礙物位置信息，并對(duì)這些障礙物進(jìn)行避讓。本文使用自適應(yīng)蒙特卡洛定位算法（AMCL），AMCL是自主移動(dòng)機(jī)器人在二維環(huán)境下的基于概率的定位系統(tǒng)，它主要使用粒子濾波對(duì)機(jī)器人在已知的地圖中進(jìn)行定位。導(dǎo)航時(shí)機(jī)器人首先會(huì)進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，從而計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人從出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路線。路徑規(guī)劃是通過(guò)Dijkstra最短路徑的算法實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)航過(guò)程中的局部路徑規(guī)劃會(huì)對(duì)局部進(jìn)行避障的規(guī)劃，其實(shí)現(xiàn)的算法是動(dòng)態(tài)窗口法（Dynamic Windows Approach）[8]，最終機(jī)器人依照局部的最優(yōu)路徑運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)路徑的分解融合，生成實(shí)時(shí)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制序列發(fā)布給里程計(jì)，讓移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行自主導(dǎo)航。

2.3? 客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端作為服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的一部分，為了有效的完成與機(jī)器人之間的交互就需要客戶端的機(jī)器人配合一起使用，如圖4所示用戶通過(guò)客戶端與后

臺(tái)通信完成登錄及授權(quán)等業(yè)務(wù)內(nèi)容后，客戶端將會(huì)把該用戶的位置的信息發(fā)送到機(jī)器人。同時(shí)客戶端能顯示機(jī)器人所在的位置。機(jī)器人在接收到請(qǐng)求后會(huì)對(duì)請(qǐng)求做出響應(yīng)，如自動(dòng)導(dǎo)航到指定的位置等。

本項(xiàng)目中使用了語(yǔ)音識(shí)別、義識(shí)別、語(yǔ)音合成等功能模塊。配合了ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，同時(shí)使用離線與在線功能結(jié)合的方式構(gòu)建整個(gè)語(yǔ)音交互系統(tǒng)活，更加智能的與機(jī)器人進(jìn)行交互。

3? 關(guān)鍵技術(shù)

服務(wù)機(jī)器人的在服務(wù)區(qū)完成自主導(dǎo)航的同步定位與建圖技術(shù)，客戶端節(jié)點(diǎn)，管理中心節(jié)點(diǎn)，機(jī)器人節(jié)點(diǎn)之間的通信技術(shù)，用戶與機(jī)器人語(yǔ)音交互技術(shù)等復(fù)雜多任務(wù)的處理是實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人業(yè)務(wù)能力關(guān)鍵，因此需采用分布式的系統(tǒng)管理架構(gòu)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating? System）是一個(gè)應(yīng)用于機(jī)器人上的操作系統(tǒng)，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的設(shè)計(jì)讓機(jī)器人的進(jìn)程可以分別獨(dú)立運(yùn)行，適用于機(jī)器人這種多任務(wù)的復(fù)雜場(chǎng)景。

3.1? 分布式系統(tǒng)框架

ROS作為一款次級(jí)操作系統(tǒng)，運(yùn)行與Linux之上提供類似于操作系統(tǒng)的功能。ROS的分布式架構(gòu)，使得每個(gè)程序運(yùn)行節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的，且可根據(jù)要求使其獨(dú)立或松耦合運(yùn)行。程序運(yùn)行時(shí)，所有進(jìn)程以及所進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理，將會(huì)通過(guò)一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)形式表現(xiàn)出來(lái)，主要包括：節(jié)點(diǎn)（node）、節(jié)點(diǎn)管理器（Master）、消息（message）、主題（topic）、服務(wù)（service）。

（1）節(jié)點(diǎn)（Node）：表示可執(zhí)行任務(wù)程序。在ROS中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)一個(gè)任務(wù)，從而對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)松散耦合，不同的節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

（2）節(jié)點(diǎn)管理器（Master）：主要用于管理節(jié)點(diǎn)的名稱注冊(cè)和查找。同時(shí)可以設(shè)置節(jié)點(diǎn)之間的通信。

（3）消息（Message）是節(jié)點(diǎn)之間通信的內(nèi)容，消息包含一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)。

（4）主題（Topic）：表示消息通信媒介。每條消息發(fā)布到相應(yīng)的主題，主題對(duì)其名稱和內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別。節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)訂閱某個(gè)主題，接收來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的消息。

（5）服務(wù)（Service）：是節(jié)點(diǎn)間另一種通信方式，在ROS中，發(fā)布主題時(shí)，正在發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠以多對(duì)多的方式交互。但要求請(qǐng)求和回復(fù)是成對(duì)的消息結(jié)構(gòu)時(shí)需要通過(guò)服務(wù)來(lái)進(jìn)行。

3.2? 同時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)

移動(dòng)機(jī)器人SLAM問(wèn)題是移動(dòng)機(jī)器人在陌生環(huán)境中，通過(guò)外部傳感器（如測(cè)距傳感器和深度傳感器等）開始采集周圍環(huán)境信息。然后將里程計(jì)采集到的機(jī)器人數(shù)據(jù)和外部傳感器采集到的環(huán)境信息相融合構(gòu)建環(huán)境地圖，最后通過(guò)構(gòu)建好的環(huán)境地圖來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的自定位?；贓KF的SLAM算法能夠很好地處理不確定信息，可用來(lái)處理移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航問(wèn)題。整個(gè)擴(kuò)展卡爾曼SLAM（EKF—SLAM）算法的過(guò)程可分為下列四個(gè)過(guò)程：預(yù)測(cè)、觀測(cè)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、更新。其中定義A、H分別是f、h對(duì)X偏導(dǎo)的雅可比矩陣：

3.3? 機(jī)器人系統(tǒng)通信技術(shù)

機(jī)器人的服務(wù)能力是通過(guò)組件之間通信交互，rosbridge是ROS官方為開發(fā)者提供的ROS與非ROS通信功能包，rosbridge主要包含兩個(gè)部分，Rosbridge Protocol和Rosbridge Implementation。其中Protocol部分提供了非ROS系統(tǒng)和ROS系統(tǒng)通信的具體格式，包括話題的訂閱，消息的發(fā)布，服務(wù)的調(diào)用，參數(shù)的設(shè)置和獲取，圖片信息的傳遞等等，Implementation部分是rosbridge的具體實(shí)現(xiàn)。

ROS的通信核心是節(jié)點(diǎn)，由服務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)出話題，其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訂閱，來(lái)完成數(shù)據(jù)交換。如圖5所示，rosbridge忽略掉ROS內(nèi)部通信規(guī)則，提升了抽象級(jí)別，內(nèi)部用topic和services完成通信，在外部用JSON數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信，目前支持的外部協(xié)議有websocket、TCP以及UDP[9]計(jì)中使用基于TCP協(xié)議的rosbridge。

3.4? 語(yǔ)音交互技術(shù)

系統(tǒng)獲得語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果后，利用本地相對(duì)粗糙的語(yǔ)言模型預(yù)先對(duì)說(shuō)話人的意圖進(jìn)行推理，如果本地推理機(jī)接受推理，則會(huì)通過(guò)資源搜索模塊對(duì)本地資源進(jìn)行調(diào)度以作出相應(yīng)的決倘若無(wú)法在本地解析出說(shuō)話人的意圖，則轉(zhuǎn)向云端后臺(tái)接入語(yǔ)音云服務(wù)，最終將結(jié)果返回。語(yǔ)音合成將返回的文本信息轉(zhuǎn)換成音頻輸出。

4? 系統(tǒng)測(cè)試

本文采用Turtlebot兩輪差分式運(yùn)動(dòng)機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用Inter i5作為核心處理器，機(jī)器人上搭載思嵐公司激光雷達(dá)rplidear A1作為視覺(jué)傳感器模塊。

客戶端與機(jī)器人通過(guò)Rosbridge完成websocke連接然后按照協(xié)議接收或者發(fā)送ROS消息將地圖顯示在客戶端（如圖7）。

（2）自主導(dǎo)航功能

在客戶端點(diǎn)擊目標(biāo)點(diǎn)A，會(huì)將目標(biāo)點(diǎn)A的位置信息發(fā)送到機(jī)器人，機(jī)器人在接受到目標(biāo)點(diǎn)信息后將進(jìn)行自主導(dǎo)航，同時(shí)客戶端可以實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人導(dǎo)航的位置信息如圖10所示。機(jī)器人使用Dijkstra算法規(guī)劃的全局路徑，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)置動(dòng)態(tài)未知障礙物，會(huì)顯示局部規(guī)劃路徑功能。局部規(guī)劃路徑如圖8紅線所示。

從調(diào)試結(jié)果來(lái)看，在機(jī)器人行駛過(guò)程中，行人走到機(jī)器人前方阻止機(jī)器人行駛，圖中紅色軌跡是遇到動(dòng)態(tài)障礙物后的軌跡，和全局路徑有一定的偏差，但可以正常到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，可以看出在局部路徑規(guī)劃中機(jī)器人能夠完成對(duì)未知?jiǎng)討B(tài)障礙物的避障。

（3）語(yǔ)音交互實(shí)現(xiàn)

在語(yǔ)音交互模式下，系統(tǒng)開啟后會(huì)進(jìn)入語(yǔ)音喚醒監(jiān)聽狀態(tài)，機(jī)器人會(huì)等待用戶使用預(yù)設(shè)關(guān)鍵詞來(lái)開啟語(yǔ)音交互功能。當(dāng)語(yǔ)音狀態(tài)喚醒后，機(jī)器人會(huì)進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別監(jiān)聽狀態(tài)，該狀態(tài)下，會(huì)根據(jù)用戶的不同語(yǔ)音指令來(lái)開啟相應(yīng)的語(yǔ)音服務(wù)，本實(shí)驗(yàn)以尋找商品為例，當(dāng)機(jī)器人接收到用戶語(yǔ)音指令信息后，機(jī)器人將啟動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航模塊，包括機(jī)器人路徑規(guī)劃等，帶領(lǐng)用戶到達(dá)商品的所在位置如圖10所示。

5? 結(jié)論

針對(duì)服務(wù)機(jī)器人服務(wù)業(yè)務(wù)的需求及關(guān)鍵技術(shù)，本文將機(jī)器人開發(fā)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)等多項(xiàng)前沿的技術(shù)進(jìn)行整合，綜合實(shí)現(xiàn)信息之間的高效地連接，實(shí)現(xiàn)了一種基于ROS的分布式管理的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。在管理中心實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶和任務(wù)的管理，基于rosbridge客戶端實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)業(yè)務(wù)中的機(jī)器人位置信息交互及與控制中心服務(wù)信息交互，通過(guò)語(yǔ)音交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用戶語(yǔ)音控制機(jī)器人，同時(shí)機(jī)器人本體實(shí)行了自主導(dǎo)航功能，測(cè)試結(jié)果表明本方案可以初步滿足機(jī)器人基礎(chǔ)場(chǎng)景中業(yè)務(wù)服務(wù)功能。為滿足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的機(jī)器人服務(wù)任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

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