ROS系統(tǒng)的激光SLAM視覺智能勘察小車

許志明，張秉天，鄒嘉俊，王 鳳，魯鵬程，倪偉傳

(1.中山大學(xué)新華學(xué)院 信息科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510520；2.中山大學(xué)新華學(xué)院 設(shè)備與實(shí)驗(yàn)室管理處，廣東 廣州 510520)

0 引 言

近年來，智能小車在各方面的應(yīng)用日益廣泛，與之相關(guān)的技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外智能小車領(lǐng)域掀起研究熱潮。對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)和定位從而實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航是智能小車智能化的重要標(biāo)志和特征。未知環(huán)境下的即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)一直是智能小車技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]。智能移動(dòng)機(jī)器人在自主性地執(zhí)行外部任務(wù)時(shí)，往往需要自主導(dǎo)航系統(tǒng)或者定位技術(shù)的輔助，使得機(jī)器人能夠根據(jù)系統(tǒng)地圖提升移動(dòng)至目的地，從而執(zhí)行任務(wù)[4-5]。然而對(duì)于目前常用的定位系統(tǒng)，例如GPS，在存在遮擋條件或者在室內(nèi)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)定位不準(zhǔn)，無法識(shí)別區(qū)域位置等問題，這使得機(jī)器人在移動(dòng)過程中無法正確地進(jìn)行判斷，很可能無法移動(dòng)至目的地。

為了解決移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)至遮蔽環(huán)境或者室內(nèi)時(shí)定位不準(zhǔn)的問題，設(shè)計(jì)了ROS系統(tǒng)的激光SLAM視覺智能勘察小車。該系統(tǒng)采用的激光SLAM搭配視覺攝像頭可以解決室內(nèi)環(huán)境的物體定位及地圖構(gòu)建問題；采用的是開源ROS機(jī)器人操作平臺(tái)來設(shè)計(jì)智能小車的控制系統(tǒng)，具備易掌握，易修改，易控制以及功能可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，并通過global planner功能為小車規(guī)劃從當(dāng)前位置至目的地的導(dǎo)航路線，從而達(dá)到最優(yōu)化，使其更加適用于現(xiàn)實(shí)生活之中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)一種ROS系統(tǒng)的激光SLAM視覺智能勘察小車，采用了開源機(jī)器人系統(tǒng)ROS[6-7]；ROS開源工具擁有非常強(qiáng)大的圖形化模擬環(huán)境，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人小車的控制；通過深度攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人體識(shí)別，采用激光雷達(dá)結(jié)合SLAM技術(shù)[8-10]，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距、避障，以及室內(nèi)外定位和自主導(dǎo)航功能。

系統(tǒng)的整體框架可以分為應(yīng)用層、導(dǎo)航層、硬件驅(qū)動(dòng)層和硬件層。在硬件層中，以STM32為主控核心，連接其他的驅(qū)動(dòng)和功能模塊外接電路。通過硬件層和硬件驅(qū)動(dòng)層的結(jié)合，來實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)各功能部件的運(yùn)作。其中導(dǎo)航層主要是通過激光雷達(dá)和深度相機(jī)來實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與建圖、避障等功能。通過在上位機(jī)接收該智能小車發(fā)送的數(shù)據(jù)，可以查看小車的建圖數(shù)據(jù)及導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊里采用的是Stm32驅(qū)動(dòng)板，采用STM32作為電機(jī)的主控器是考慮到STM32芯片體積小，引腳結(jié)構(gòu)功能全面，并且STM32有官方庫(kù)文件，在進(jìn)行編程時(shí)可以方便地使用其接口函數(shù)。而且使用STM32芯片進(jìn)行開發(fā)的產(chǎn)品可移植性高，便于后期的再使用，STM32的低功耗也是本系統(tǒng)將其作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的考慮原因之一。由于系統(tǒng)的智能小車所搭載的鋰電池容量有限，為了得到更大的續(xù)航，需要將更多的能耗用于底輪驅(qū)動(dòng)上，因此其他模塊會(huì)盡量考慮節(jié)能問題。

圖1為智能小車的整體外觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖，按照已構(gòu)思好的外觀設(shè)計(jì)圖來對(duì)小車各部分硬件進(jìn)行組裝搭配。其中最底層為小車的移動(dòng)底輪與第一層承重板，第一層承重板上面是電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，ROS主控板(采用的是樹莓派3B)，鋰電池，陀螺儀傳感器。第二層承重板上面搭載激光雷達(dá)。第三層承重板上面搭載深度攝像頭。

圖1 小車的整體設(shè)計(jì)圖

1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分包括ROS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)、建圖算法等。ROS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于設(shè)計(jì)出跨平臺(tái)的機(jī)器人控制系統(tǒng)；上位機(jī)采用ROS開發(fā)了簡(jiǎn)易的人機(jī)交互界面，運(yùn)行的上位機(jī)系統(tǒng)是Ubuntu系統(tǒng)；而構(gòu)建地圖則是采用的激光SLAM搭配視覺攝像頭來實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的地圖構(gòu)建。

1.2.1 ROS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，采用的是ROS開源機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具。ROS提供了許多易于調(diào)用的功能函數(shù)，在設(shè)計(jì)智能小車控制系統(tǒng)時(shí)，便于使用這些功能函數(shù)來設(shè)計(jì)智能小車的控制程序，提高了開發(fā)效率。并且采用ROS進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)跨平臺(tái)的機(jī)器人控制系統(tǒng)，降低了硬件選擇成本。

為了有效創(chuàng)建地圖并進(jìn)行定位和導(dǎo)航[11-12]，在智能小車移動(dòng)的過程中，采用激光雷達(dá)可以確定小車在地圖上的位置，實(shí)現(xiàn)定位功能；而對(duì)于小車移動(dòng)路線的導(dǎo)航問題，根據(jù)小車位置、目的地位置及地圖信息，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行路徑規(guī)劃，通過global planner功能為小車規(guī)劃從當(dāng)前位置至目的地的導(dǎo)航路線，同時(shí)根據(jù)小車移動(dòng)過程中所采集到的障礙物位置等信息，導(dǎo)航路線會(huì)實(shí)時(shí)更新，不斷修正從而實(shí)現(xiàn)避開障礙物，到達(dá)目的地的路線[13-14]。

1.2.2 控制界面

為了對(duì)智能小車的實(shí)時(shí)移動(dòng)環(huán)境及定位和導(dǎo)航情況進(jìn)行勘測(cè)，上位機(jī)采用ROS開發(fā)了簡(jiǎn)易的人機(jī)交互界面，上位機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)為Ubuntu，可以觀察到智能小車在地圖上的位置。

1.3 建圖算法

地圖的構(gòu)建則是采用的激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)，其中對(duì)于地圖的構(gòu)建需要通過利用rqt圖形工具來找到滿意的PID值。

在Robot端運(yùn)行下面命令：

$ roslaunch rikirobot bringup.launch

運(yùn)行PID配置節(jié)點(diǎn)：

rosrun riki_pid pid_configure

在開發(fā)電腦端執(zhí)行行鍵盤控制命令：

$ rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

打開rqt，通過執(zhí)行下面命令：$rqt

加載pid圖形配置文件Perspective>Import選擇～/catkin_ws/src/riki_pid/riki_pid. perspective

通過上面調(diào)試用戶得到最合適的PID值后，在控制面板上進(jìn)行PID校正，執(zhí)行命令：$ platformio run --target upload

運(yùn)行下面命令：

$cd ～/catkin_ws/src/rikirobot_project/

rikirobot/maps

$ls -a house.pgm house.yaml

圖2是確定PID值后的運(yùn)行結(jié)果。

圖2 檢查地圖效果圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

為了使系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，文中先對(duì)系統(tǒng)的里程計(jì)誤差進(jìn)行分析與標(biāo)定，并通過陀螺儀誤差值來提高智能小車在移動(dòng)過程中所測(cè)量的里程精度，并通過觀察地圖構(gòu)建效果與構(gòu)建時(shí)間，來驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

2.1 里程計(jì)誤差分析及標(biāo)定

傳統(tǒng)方法考慮的是移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與位移是一種線性關(guān)系[15]，但在實(shí)際的操作中發(fā)現(xiàn)小車在實(shí)際行駛過程中可能存在打滑現(xiàn)象；因此，當(dāng)出現(xiàn)打滑的情況時(shí)，這種動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與位移的線性關(guān)系就不存在了，如果仍然以線性關(guān)系作為標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)發(fā)生定位誤差。而誤差主要來源兩處：系統(tǒng)性誤差和非系統(tǒng)性誤差。

通過研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致誤差來源于負(fù)載大小與負(fù)載重心不一致，同時(shí)除了本身存在的問題外環(huán)境因素也是不可忽略的，例如地面不平導(dǎo)致打滑或者障礙物過多，同樣也會(huì)影響誤差的產(chǎn)生。為了解決該誤差問題，文中采取矯正智能小車的系統(tǒng)參數(shù)的方法。對(duì)于智能小車的陀螺儀誤差，采取使智能小車以不同的角速度(0.2～1.0 rad/s)原地旋轉(zhuǎn)180°，在旋轉(zhuǎn)之后觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比里程角度信息和實(shí)際角度誤差；圖3為實(shí)驗(yàn)的誤差結(jié)果。

圖3 陀螺儀誤差

由圖3可以看出，小車的運(yùn)動(dòng)角度誤差隨著角速度的變化同樣呈現(xiàn)非線性變化。根據(jù)實(shí)際情況，為了提高智能小車在移動(dòng)過程中所測(cè)量的里程精度，在該系統(tǒng)中所采取的措施是對(duì)智能小車的里程計(jì)實(shí)行標(biāo)定，其中采取的方法是：里程計(jì)以0.3 m/s的線速度向前移動(dòng)，如果位移達(dá)到1 m時(shí)，智能小車會(huì)原地旋轉(zhuǎn)90°，不斷采取該方法直至四次，直至智能小車的移動(dòng)軌跡為正方形。

2.2 實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建

由于前面的測(cè)試是分模塊單獨(dú)測(cè)試，為了保障整體系統(tǒng)校準(zhǔn)及測(cè)試正常，還需要將整體智能小車進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試；文中在樹莓派主控板的終端上執(zhí)行slam構(gòu)建地圖，其中智能小車加載地圖成功圖像如圖4所示。

圖4 小車地圖加載

當(dāng)?shù)貓D加載成功時(shí)，小車便會(huì)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行掃描，即可將所經(jīng)過的區(qū)域都進(jìn)行掃描并加入到構(gòu)建的地圖中，并將數(shù)據(jù)上傳回上位機(jī)控制界面，其數(shù)據(jù)延時(shí)時(shí)間為0.2 s，基本可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送與地圖的構(gòu)建。

通過觀察圖5、圖6可以看到，系統(tǒng)所構(gòu)建的地圖場(chǎng)景邊界輪廓清晰，與場(chǎng)地環(huán)境基本一樣，說明本次整體的系統(tǒng)測(cè)試成功。

圖5 場(chǎng)景1

3 結(jié)束語

開發(fā)了一種ROS系統(tǒng)的激光SLAM視覺智能勘察小車，該智能小車在室內(nèi)及遮蔽環(huán)境下仍然可以達(dá)到一定的定位及導(dǎo)航準(zhǔn)確度。通過開源ROS機(jī)器人操作平臺(tái)來設(shè)計(jì)智能小車的控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具備易修改、易控制等特點(diǎn)；采用激光雷達(dá)SLAM，使其在室內(nèi)或遮蔽環(huán)境下相比采用傳統(tǒng)雷達(dá)SLAM或視覺SLAM具有更高的定位精度與抗干擾性。當(dāng)然，該系統(tǒng)存在上位機(jī)與智能小車的通信距離有限的問題，當(dāng)智能小車與控制終端的距離超過300 M的wifi有效距離時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)收發(fā)較差的情況。這將作為日后的研究方向，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使其更加適用。