基于ROS的智能車貨物搬運(yùn)系統(tǒng)

孫義斐，韓宇光，趙楨淏，王庚辰，顧澤辰

（華東理工大學(xué)，上海，200237）

0 引言

在21世紀(jì)智能化的發(fā)展或?qū)⒊蔀槲磥淼囊淮蟀l(fā)展趨勢(shì)，近年來，隨著傳感器逐漸靈敏以及微型處理器即芯片技術(shù)的不斷提高，集成智能控制得到了前所未有的提高，越來越多的嵌入式控制以及智能化技術(shù)逐漸被大眾熟知。集體智能的產(chǎn)品能夠模仿人類的智能，具有一定的判斷力和智能，從技術(shù)上來說，它能夠取代人腦的一部分。汽車的發(fā)明距今已有100多年的歷史，從上個(gè)世紀(jì)80年代開始直至今天，在智能控制方面的應(yīng)用也越來越廣泛，社會(huì)發(fā)展的越來越快，車輛的智能化也逐漸應(yīng)用在人們生活的各個(gè)角落。

1 智能車技術(shù)與應(yīng)用

貨物搬運(yùn)是快遞等行業(yè)的支柱核心之一，智能化貨物搬運(yùn)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。近年來，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。貨物搬運(yùn)作為辦公場(chǎng)景之中重要的一環(huán)與企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益密不可分，是影響企業(yè)效益的重要因素，貨物搬運(yùn)的智能化對(duì)企業(yè)的工作效率、經(jīng)濟(jì)收益等有著至關(guān)重要的作用。貨物搬運(yùn)的日趨復(fù)雜性使得基于傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)方法難以滿足需求。因此，亟需開發(fā)一款能夠智能化貨物搬運(yùn)的產(chǎn)品，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)思路

智能車的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ), 只有在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可行、穩(wěn)定、可靠的前提下, 其他控制方案才能得以繼續(xù)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，智能車應(yīng)具有地圖構(gòu)建與定位，路徑規(guī)劃與智能避障等功能，因此可以通過激光雷達(dá)（rplidar）構(gòu)建地圖，USB(USB轉(zhuǎn)串口)與上位機(jī)互連通訊，運(yùn)動(dòng)解算及PID速度環(huán)都在下位控制器完成，只需要通過串口命令發(fā)送線速度與角速度即可驅(qū)動(dòng)小車底盤，同時(shí)可以直接讀取小車的實(shí)時(shí)位置及實(shí)時(shí)速度信息。設(shè)計(jì)原則有:重心盡可能低、體積盡可能小、驅(qū)動(dòng)盡可能大、結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單。

圖1 智能車整體構(gòu)造

2.2 主控模塊設(shè)計(jì)

在上位機(jī)控制板中使用樹莓派（RaspberryPi4B）內(nèi)嵌ROS系統(tǒng)作為主控模塊，是整個(gè)智能車的“大腦”，其主要作用是匯集雷達(dá)與攝像頭信號(hào)，對(duì)所處場(chǎng)景進(jìn)行地圖建模，并且接收由PC端或者Android設(shè)備端通過局域網(wǎng)發(fā)來的位置信號(hào)，結(jié)合控制算法，控制智能車的行進(jìn)。在樹莓派中裝有基于Linux開發(fā)環(huán)境的Ubuntu Mate系統(tǒng)，并且通過ROS機(jī)器人開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的處理和算法的實(shí)現(xiàn)。

3 環(huán)境配置

3.1 ubuntu操作系統(tǒng)的安裝

3.1.1 windows安裝ubuntu系統(tǒng)

目前ROS平臺(tái)的安裝首先依賴于linux操作系統(tǒng)。我們需要安裝以linux為內(nèi)核的ubuntu桌面操作系統(tǒng)。為了使兼容性和工具的前沿性同時(shí)得到滿足，選擇下載Ubuntu18.04版本，在官網(wǎng)找到ubuntu18.04后進(jìn)行下載。緊接著在Windows下安裝Vmware，這是一個(gè)虛擬機(jī)構(gòu)造軟件。打開Vmware，創(chuàng)建新的虛擬機(jī)，導(dǎo)入下載好的Ubuntu鏡像。然后設(shè)置內(nèi)存、分區(qū)、密碼等必要參數(shù)。

3.1.2 樹莓派安裝ubuntu系統(tǒng)鏡像文件

從官網(wǎng)上下載Ubuntu mate，使用工具Win32 Disk Manager,將ubuntu mate寫入樹莓派TF卡中，將錄好系統(tǒng)的TF卡插回樹莓派，給樹莓派供電，即可完成安裝。

3.2 ROS平臺(tái)

官方給出ROS的定義：ROS=一套通信機(jī)制+一套開發(fā)工具+一系列應(yīng)用功能+一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)。ROS研發(fā)的目的是提高機(jī)器人研發(fā)中的軟件復(fù)用率。

（1）通信機(jī)制

ROS通信屬于松耦合分布式通信。Ros最常用的通信機(jī)制有：話題通信（接收方不必應(yīng)答）、服務(wù)通信（接收方需應(yīng)答）和共享參數(shù)通信。

（2）開發(fā)工具

Gazebo仿真工具、RViz機(jī)器人可視化工具、rqt可視化工具、RosBag記錄和會(huì)放ROS主題的工具、moveit移動(dòng)操作軟件等。

（3）應(yīng)用功能

底層驅(qū)動(dòng)（傳感器、執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)）、上層功能（機(jī)器人導(dǎo)航、MoveIt機(jī)械臂控制等）、控制模塊（將豐富的上層功能落實(shí)到機(jī)器人上，控制框架——ros_control，及常用的控制器等）、常用組件（TF、URDF、Message 等）

3.3 樹莓派安裝ROS平臺(tái)

ROS穩(wěn)定版本目前使用率比較高的是kinetic kame和melodic morenia。推薦安裝最新版melodic，因?yàn)楣δ芨油晟疲捎趫F(tuán)隊(duì)前期準(zhǔn)備工作大部分是基于kinetic，而kinetic支持停止日期是2021年4月，不影響項(xiàng)目的進(jìn)行，故選擇kinetic作為安裝版本。

在樹莓派的Ubuntu系統(tǒng)中復(fù)制ros安裝的腳本文件至home文件夾下的install_ros_kinetic.sh，然后使用source命令執(zhí)行install_ros_kinetic.sh。緊接著使用tar命令和catkin_make命令解壓和編譯項(xiàng)目所用貨物搬運(yùn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)。最后運(yùn)行roscore確認(rèn)ros已經(jīng)安裝成功。

4 地圖構(gòu)建

ROS機(jī)器人的定位與地圖構(gòu)建采用的是SLAM(simultaneous localization and mapping)算法，即及時(shí)定位與地圖構(gòu)建，這種算法的優(yōu)點(diǎn)是把兩方面的進(jìn)程都捆綁在一個(gè)循環(huán)之中，通過這種方法能夠讓雙方在各自進(jìn)程中都求得連續(xù)解，在不同進(jìn)程中互相迭代的反饋對(duì)雙方的連續(xù)解對(duì)地圖建模有改進(jìn)作用，以此獲得實(shí)時(shí)改進(jìn)的效果。

Gammping是移動(dòng)機(jī)器中使用最多的SLAM方法，gmapping包是包含在OpenSlam的Gmapping的一個(gè)ROS封裝，通過Rplida雷達(dá)收集的激光和位姿數(shù)據(jù)，創(chuàng)建二位柵格地圖。

圖2 智能車構(gòu)圖效果

5 路徑規(guī)劃

應(yīng)用ROS導(dǎo)航包實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人完成以下步驟：

（1）首先完成機(jī)器人相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)后對(duì)機(jī)器人進(jìn)行配置；

（2）創(chuàng)建導(dǎo)航功能包：此功能包主要用于存儲(chǔ)導(dǎo)航需要用到的所有配置文件以及l(fā)unch啟動(dòng)文件，并添加機(jī)器人配置中使用到的功能包以及move_base包作為依賴；

（3）創(chuàng)建機(jī)器人啟動(dòng)文件：導(dǎo)航功能包的創(chuàng)建開放了儲(chǔ)存關(guān)于路徑規(guī)劃的各種文件的工作空間，接下來創(chuàng)建機(jī)器人的啟動(dòng)文件用來啟動(dòng)機(jī)器人配置中用到的所有硬件（傳感器、里程計(jì)等），并發(fā)布相應(yīng)的消息和變換關(guān)系；

（4）配置代價(jià)地圖：導(dǎo)航功能包使用兩種代價(jià)地圖存儲(chǔ)周圍環(huán)境的障礙信息，分別用于全局路徑規(guī)劃和本地路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)避障，完成對(duì)通用配置文件、全局規(guī)劃配置文件、本地規(guī)劃配置文件的配置；

（5）配置本地規(guī)劃器：本地規(guī)劃器的主要作用是根據(jù)規(guī)劃的全局路徑，計(jì)算發(fā)布給機(jī)器人的速度指令，需要根據(jù)機(jī)器人的規(guī)格，完成相應(yīng)參數(shù)的配置；

（6）創(chuàng)建導(dǎo)航功能包的啟動(dòng)文件。

6 結(jié)論

在萬物智能化的現(xiàn)在，機(jī)器智能化已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢(shì)，本文以智能車為載體，結(jié)合了PID控制算法，差速轉(zhuǎn)向，雷達(dá)識(shí)別等技術(shù)，對(duì)智能車的地圖建模和路徑規(guī)劃問題進(jìn)行分析，相信智能車將來將逐漸在居家，辦公等場(chǎng)景中得以應(yīng)用，未來，智能機(jī)器將以巨大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用潛力改變我們的生活。