一種基于Ros的AGV調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

魏慶棟，王 忠

（火箭軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)系，陜西 西安 710038）

1 問題描述

典型的競賽類AGV需要在規(guī)定場地內(nèi)完成一系列規(guī)定工作。以大學(xué)生智能汽車競賽航天智慧物流組為例[1]，場地如圖1所示。該比賽為模擬工業(yè)轉(zhuǎn)運無人車在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，AGV要完成啟動、指定位置的?？颗c重啟、識別紅綠燈、裝載和卸載貨物等一些規(guī)定動作，并按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)獲取或者扣掉一定分?jǐn)?shù)。

按照上述比賽要求，上位機需要在和AGV完成通信的基礎(chǔ)上，依靠調(diào)度系統(tǒng)對AGV進(jìn)行監(jiān)控。操控人員通過調(diào)度系統(tǒng)的界面與下位機建立連接，如果連接成功，界面將自動開始顯示AGV的一些運動參數(shù)，操控人員隨后向AGV 發(fā)送位置坐標(biāo)等指令，AGV 在接收到指令后開始自主導(dǎo)航，之后的動作除接收下一個坐標(biāo)外均由AGV自主完成。如果長時間連接不成功，系統(tǒng)將自動彈出連接失敗，并顯示原因。任務(wù)流程圖如圖2所示。

圖1 比賽場地圖

2 功能分析

按照上述的比賽流程和任務(wù)要求，本文所要設(shè)計實現(xiàn)的AGV調(diào)度系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下幾個功能：

（1）通信管理功能：通過調(diào)度系統(tǒng)，上位機能與AGV 建立通信連接，從而實現(xiàn)上位機和AGV 的實時數(shù)據(jù)交換。

圖2 調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)流程圖

（2）車輛控制功能：調(diào)度系統(tǒng)可以對AGV的啟動和停止進(jìn)行控制，還可以下發(fā)位置坐標(biāo)，控制AGV的?？课恢?。

（3）比賽進(jìn)程監(jiān)控功能：調(diào)度系統(tǒng)可以實時監(jiān)視AGV的運行狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)AGV行進(jìn)中的問題。

（4）人機交互界面：為操控人員提供操作窗口，能夠顯示通信連接狀況、車輛運行狀況等信息，并提供對AGV的控制功能。

通過對上述功能的分析可以得出，調(diào)度系統(tǒng)在比賽中發(fā)揮著重要作用，比賽的最終結(jié)果除了取決于AGV本身的性能，更要依靠一個操作流暢、運行穩(wěn)定的調(diào)度系統(tǒng)軟件。調(diào)度系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 功能結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體框架與設(shè)計思路

整個調(diào)度系統(tǒng)的運行環(huán)節(jié)如圖4所示，分為以下幾個層次：人機交互層是為用戶提供的操作界面，主要用來為操控人員提供使用窗口；通信層用來實現(xiàn)上位機和AGV的連接與通信。為了便于開發(fā)，客戶端可以結(jié)合在用C#編寫的界面中，服務(wù)端則使用Python編寫，結(jié)合在Ros節(jié)點中；執(zhí)行層是借助Ros自定義的控制節(jié)點，通過Ros的通信機制實現(xiàn)系統(tǒng)對AGV的控制和監(jiān)視。

3.2 設(shè)計方案

圖4 總體框架

3.2.1 交互層設(shè)計。為了方便界面設(shè)計開發(fā)，本文采用了Microsoft Visual Studio 2019開發(fā)平臺框架的C#語言進(jìn)行軟件開發(fā)，設(shè)計實現(xiàn)一個能滿足比賽要求的人機交互界面。使用C#進(jìn)行編程時，會自動產(chǎn)生代碼框架，這使得編程大大減少了工作量。同時作為面向?qū)ο缶幊痰恼Z言，C#具有繼承性、封裝性和多態(tài)性等特點，使得代碼結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強，利于擴(kuò)展和調(diào)用[2]。

根據(jù)上一節(jié)可知，界面由三個模塊組成，分別是AGV的控制模塊、監(jiān)控模塊以及通信管理模塊。通信管理模塊負(fù)責(zé)管理與AGV的通信連接，控制模塊負(fù)責(zé)向AGV發(fā)送指令，而監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)實時顯示AGV的運動參數(shù)。

3.2.2 通信層設(shè)計。根據(jù)比賽需求，上位機和下位機之間的距離不會太遠(yuǎn)，但在比賽過程中AGV會經(jīng)常處于運動狀態(tài)，因此為了方便通信，可以選擇無線組網(wǎng)的方式，將二者連接在同一路由器上，組建成簡易局域網(wǎng)。

在編程開發(fā)上，選擇使用Socket 通信，它是一種網(wǎng)絡(luò)中不同主機上的應(yīng)用進(jìn)程之間進(jìn)行雙向通信的協(xié)議機制，作為支持TCP/IP 協(xié)議的API，可以避免考慮具體的三次握手連接過程[3]，只需要調(diào)用Socket 抽象類的connect接口函數(shù)，即可完成通信連接。在使用Socket通信時，需要將通信的一端作為服務(wù)端，綁定自身IP地址和一個端口號，另一端則作為客戶端，通過服務(wù)端的IP地址和端口號與服務(wù)端進(jìn)行連接。在連接成功后，兩端開始傳輸數(shù)據(jù)。在通信結(jié)束后，調(diào)用Close函數(shù)，關(guān)閉套接字連接，釋放資源[4]。

3.2.3 執(zhí)行層設(shè)計。機器人系統(tǒng)作為一種多模塊集成的復(fù)雜系統(tǒng)，需要不同功能模塊和進(jìn)程之間相互聯(lián)系、相互配合才能發(fā)揮系統(tǒng)的正常功能。Ros是用于機器人領(lǐng)域的一套通用軟件框架，機器人的不同進(jìn)程和模塊在Ros中通常以節(jié)點的形式存在，通過Ros的通信機制實現(xiàn)它們的協(xié)作和配合[5]。

Ros節(jié)點間的基本通信機制主要有三種方式，話題通信(發(fā)布訂閱模式)、服務(wù)通信(請求響應(yīng)模式)和參數(shù)服務(wù)器(參數(shù)共享模式)[6]。為實現(xiàn)對AGV的監(jiān)控，主要采用的是話題通信機制和服務(wù)通信機制。

話題通信的過程主要是訂閱和發(fā)布。通信的兩方分別作為發(fā)布者和訂閱者，雙方在節(jié)點管理器中完成注冊后，發(fā)布者聲明發(fā)布（Publish）話題（Topic），而訂閱者聲明訂閱該話題，話題中的數(shù)據(jù)即為需要通信的內(nèi)容[7]。在比賽中，為獲取到AGV的運行數(shù)據(jù)，可以自定義訂閱節(jié)點，訂閱比賽所需運動參數(shù)的話題。具體如圖5所示。

圖5 話題通信機制

服務(wù)通信機制是Ros通信中基于請求響應(yīng)模式的一種常見通信機制，一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送請求，另一個節(jié)點收到請求后進(jìn)行處理，再將響應(yīng)結(jié)果發(fā)送回原節(jié)點[8]。在比賽中，為實現(xiàn)AGV的自主導(dǎo)航而使用的Navigation功能包，其中的move_base包會通過actionlib機制獲取目標(biāo)點坐標(biāo)后進(jìn)行路徑規(guī)劃。而actionlib通信機制實際上就是一種特殊的服務(wù)通信機制。與一般的服務(wù)通信機制相比，增加了中斷和反饋的機制。在復(fù)雜的基于Ros的系統(tǒng)中，如果某個響應(yīng)的過程相對比較復(fù)雜，服務(wù)端處理時間較長，使用actionlib通信機制，可以使得客戶端實時獲取到服務(wù)端的任務(wù)處理進(jìn)度狀態(tài)，或者選擇中斷處理進(jìn)程[9]。具體如圖6所示。

圖6 actionlib通信機制

4 調(diào)度系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

以本文第一節(jié)給出的智能車競賽為例，結(jié)合前面的設(shè)計方案，給出具體的軟件實現(xiàn)過程。

4.1 交互層的實現(xiàn)

根據(jù)比賽需要，本文設(shè)計的人機交互界面如圖7所示，界面中包含了對AGV的控制模塊、監(jiān)控模塊以及通信管理模塊。

圖7 人機交互界面

（1）通信管理模塊。通信管理模塊通過輸入AGV的IP 地址和端口號嘗試與AGV 建立連接，并在消息列表中顯示連接狀況。運行效果如圖8所示。

（2）AGV 控制模塊?？刂颇K在上位機與AGV建立連接后，負(fù)責(zé)向AGV發(fā)送指令，包括位置坐標(biāo)和停車方向，隨后AGV開始運動，并在規(guī)定位置完成?？?。運行效果如圖9所示。

圖8 通信管理模塊交互界面

圖9 AGV控制模塊界面

（3）AGV監(jiān)視模塊。監(jiān)視模塊在比賽開始后，會實時顯示AGV的運行狀態(tài)和位置信息，為操控人員提供參考。運行效果如圖10所示。

圖10 AGV監(jiān)視模塊界面

4.2 通信層和執(zhí)行層的實現(xiàn)

按照系統(tǒng)層次分析，Socket通信的兩端需要分別與Ros節(jié)點和界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此兩個層次可以一起實現(xiàn)。

4.2.1 客戶端的開發(fā)。使用C#進(jìn)行客戶端的開發(fā)時，在界面中找到相應(yīng)的按鈕，添加點擊事件，調(diào)用Socket類的Connect()、Send()和Receive()等方法進(jìn)行通信的連接、發(fā)送和接收。在使用Receive()方法時，為保證在連接完成后，Socket的接收狀態(tài)隨即開啟并且能一直保持，同時接收到的信息能在控件中顯示出來，需要做如下處理：

（1）將接收程序作為子線程進(jìn)行抽象，并設(shè)置為后臺程序[10]，保證在點擊動作完成后，可以一直保持接收狀態(tài)。

（2）由于在抽象出的子線程中無法直接調(diào)用窗口中的控件，因此需要將工作線程中涉及更新界面的代碼封裝為一個方法，通過Invoke 方法進(jìn)行調(diào)用，這樣可以大大減少UI線程更新界面的負(fù)擔(dān)[11]。

（3）完成上述動作后，點擊“連接”按鈕，窗口程序會隨之陷入死循環(huán)，無法正常連接，所以需要設(shè)置全局變量flag，初始設(shè)置為0，在完成連接后，flag設(shè)為1，此時接收線程中的循環(huán)才開啟。

4.2.2 服務(wù)端的開發(fā)。使用Python 進(jìn)行服務(wù)端的開發(fā)時，同樣是調(diào)用Socket類創(chuàng)建Socket服務(wù)端，綁定相應(yīng)的IP地址和端口號，設(shè)置監(jiān)聽；與客戶端類似，服務(wù)端需要將“接收”和“發(fā)送”兩個過程抽象為兩個線程，在主程序中同時并發(fā)運行。

兩個線程的設(shè)計思路為：

（1）發(fā)送線程中，定義Ros節(jié)點，根據(jù)3.2.3節(jié)中介紹的Ros話題通信機制，訂閱需要發(fā)送的AGV參數(shù)。sub=rospy.Subscriber("/amcl_pose",PoseWithCovariance Stamped,doPose,queue_size=1000)

其中doPose為回調(diào)函數(shù)，獲得訂閱的坐標(biāo)后的處理動作由該回調(diào)函數(shù)進(jìn)行定義[12]。按照功能分析，回調(diào)函數(shù)的功能應(yīng)該定義為使用Socket通信的Send方法將信息發(fā)送至上位機。

（2）接收線程在接收到上位機發(fā)送的坐標(biāo)信息后，將坐標(biāo)信息設(shè)置為導(dǎo)航目標(biāo)點，然后通過actionlib通信機制發(fā)送至導(dǎo)航的服務(wù)端，AGV隨即開始自主導(dǎo)航。為了簡化代碼結(jié)構(gòu)，可以將發(fā)布導(dǎo)航點的代碼抽象為類，在接收線程中使用該類即可。

5 結(jié)語

根據(jù)本文設(shè)計實現(xiàn)的調(diào)度系統(tǒng)在智能車比賽中運行穩(wěn)定，操作簡單，可以滿足比賽要求。同時在現(xiàn)行技術(shù)的基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)比賽要求進(jìn)行一系列的改進(jìn)，比如增加訂閱的話題，獲取AGV攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，以及對AGV發(fā)送更多的控制指令等。本文所介紹的AGV調(diào)度系統(tǒng)，應(yīng)用到的技術(shù)相對簡單，操作方便，對之后類似比賽中的調(diào)度系統(tǒng)具有一定的參考和借鑒意義。