基于ROS 的室內(nèi)移動機(jī)器人多目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航研究與實(shí)現(xiàn)

鄒看看，張軍，王棟

（安徽理工大學(xué) 人工智能學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

近年來，機(jī)器人技術(shù)日新月異[1]，移動機(jī)器人在未知環(huán)境中的自主導(dǎo)航問題導(dǎo)航機(jī)器人的研究已引起科研工作者的極大興趣，特別是隨著智能機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、物流倉儲搬運(yùn)、災(zāi)害救援等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[2]。移動機(jī)器人自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)包括兩個(gè)方面。一方面，同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)[3]是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航的前提。SLAM 技術(shù)通常與激光雷達(dá)或深度相機(jī)搭配使用，機(jī)器人通過搭載的傳感器獲得未知環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及深度數(shù)據(jù)，隨著機(jī)器人不斷感知周圍環(huán)境，機(jī)器人利用得到的數(shù)據(jù)完成對周圍環(huán)境二維柵格地圖的構(gòu)建。另一方面，機(jī)器人定位與路徑規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航的關(guān)鍵。路徑規(guī)劃使機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境中規(guī)劃出一條合適的路線到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，并且在移動過程中避開臨時(shí)出現(xiàn)的障礙物。機(jī)器人定位確定機(jī)器人當(dāng)前所在位置，幫助機(jī)器人按照設(shè)定的路線行駛。

文中基于自行搭建的機(jī)器人平臺，構(gòu)建一整套自主導(dǎo)航系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠在未知環(huán)境下進(jìn)行柵格地圖構(gòu)建，并且在構(gòu)建的環(huán)境地圖中實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)區(qū)域的巡檢任務(wù)。

1 機(jī)器人移動平臺

移動機(jī)器人平臺采用差速底盤結(jié)構(gòu)，機(jī)器人平臺如圖1所示，前輪的作用是支撐底盤，兩個(gè)后輪為驅(qū)動輪?？梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中靈活移動，相比于全向移動機(jī)器人成本更低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)差速移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)解算簡單，計(jì)算量小，開發(fā)效率高[4]。移動機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)思想，建立基于移動機(jī)器人平臺的建圖和導(dǎo)航的系統(tǒng)框架。根據(jù)硬件功能不同，下面分別對兩大系統(tǒng)做詳細(xì)介紹。器人移動平臺可分為兩大部分：上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)。

圖1 移動機(jī)器人平臺

1.1 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，總體框架圖如圖2 所示。上位機(jī)系統(tǒng)由兩部分組成樹莓派主機(jī)和在PC 從機(jī)，兩者通過WiFi 進(jìn)行通信。樹莓派相較于PC 具有體積小，易搭載的優(yōu)點(diǎn)，更適合裝載在室內(nèi)小型機(jī)器人。然而樹莓派計(jì)算能力有限且沒有顯示器，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和遠(yuǎn)程控制，通過WiFi 分布式通信將樹莓派與PC 端連接[5]。樹莓派作為上位機(jī)系統(tǒng)的主機(jī)，主要負(fù)責(zé)建圖算法的數(shù)據(jù)處理，主要包括基于激光雷達(dá)的Gmapping 算法、局部路徑規(guī)劃算法、全局路徑規(guī)劃算法、多傳感器融合算法和同下位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。PC 端作為上位機(jī)系統(tǒng)的從機(jī)，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制以及一些組件的使用。ROS 系統(tǒng)下主機(jī)與從機(jī)的配合使用大大提高了機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)效率。

圖2 上位機(jī)系統(tǒng)框架圖

1.2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動機(jī)器人平臺采用STM32VET6作為控制核心，下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。下位機(jī)系統(tǒng)以模塊化設(shè)計(jì)思想將整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)部分：電機(jī)控制、IMU 數(shù)據(jù)讀取、里程計(jì)數(shù)據(jù)讀取、ROS 數(shù)據(jù)通信以及LCD 屏信息顯示。下位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)里程計(jì)數(shù)據(jù)以及上位機(jī)系統(tǒng)下發(fā)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID 控制[6]。里程計(jì)數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)也將通過USART 通信上傳到ROS 系統(tǒng)，并進(jìn)行算法融合，推算機(jī)器人的位姿信息。

圖3 下位機(jī)系統(tǒng)框架圖

2 二維柵格地圖創(chuàng)建

ROS 支持多種SLAM 算法，主流的是Hector SLAM 和Gmapping，其中Hector SLAM 僅依靠激光雷達(dá)就可以正常工作；Gmapping 算法則在激光雷達(dá)的基礎(chǔ)上，融合了電機(jī)編碼器里程計(jì)等信息，其建圖穩(wěn)定性高于Hector SLAM。本文使用的是Gmapping。Gmapping 包含了粒子濾波算法，為開發(fā)者免去內(nèi)部復(fù)雜實(shí)現(xiàn)，提高開發(fā)效率。二維柵格地圖構(gòu)建流程如圖4 所示，主要完成對周圍環(huán)境二維柵格地圖的構(gòu)建，為后續(xù)的機(jī)器人定位與多點(diǎn)導(dǎo)航提供基礎(chǔ)。

圖4 地圖創(chuàng)建流程圖

使用Gmapping 功能包構(gòu)建地圖時(shí)最重要的一步是Gmapping 功能包參數(shù)設(shè)計(jì)，以下是部分參數(shù)設(shè)計(jì)：

每一個(gè)參數(shù)都影響建圖效果[7]。其中，map_update_interval 是地圖刷新頻率，若數(shù)據(jù)設(shè)置過大會導(dǎo)致建圖效率低。相反會占用過多的樹莓派資源導(dǎo)致發(fā)熱卡頓。maxUrang 是激光雷達(dá)能夠探測的最大值，本文使用的激光雷達(dá)最大檢測范圍為25 m，此處設(shè)置為20.0 足夠大部分室內(nèi)場景使用。particles 是Gmapping 算法中的粒子數(shù)。合適的粒子數(shù)保證算法比較準(zhǔn)確同時(shí)有較高的速度。

3 導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建

導(dǎo)航系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)是定位和路徑規(guī)劃兩方面。機(jī)器人路徑規(guī)劃是指機(jī)器人在指定的區(qū)域內(nèi)規(guī)劃出一條合理的從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑。move_base 功能包提供了基于動作(action)的路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)[8]，主要由全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃組成。機(jī)器人定位通過判斷機(jī)器人的當(dāng)前位置是否符合預(yù)期結(jié)果，確保機(jī)器人按照規(guī)劃的路線前進(jìn)。AMCL 功能包提供了定位功能，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的準(zhǔn)確定位。AMCL 功能包根據(jù)已有的地圖使用粒子錄波器推算機(jī)器人的具體位置。導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建流程如圖5 所示，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)導(dǎo)航功能。

圖5 導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建流程圖

3.1 AMCL 功能包

AMCL 是一種自適應(yīng)蒙特卡洛定位算法[9]，利用使用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和地圖信息來估計(jì)機(jī)器人在地圖上的位置。在導(dǎo)航過程中會因?yàn)橥饨绛h(huán)境導(dǎo)致里程計(jì)出現(xiàn)誤差，誤差累計(jì)，從而引發(fā)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)失敗的問題。AMCL 功能包可以根據(jù)機(jī)器人的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，對機(jī)器人的位置進(jìn)行估計(jì)[10]。AMCL 的估計(jì)流程如下：

（1）初始化粒子群：根據(jù)機(jī)器人所在大致位置，初始化一定數(shù)量的粒子。

（2）運(yùn)動模型更新：根據(jù)機(jī)器人里程計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)粒子的權(quán)重。

（3）傳感器模型更新：根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)粒子的權(quán)重。

（4）重采樣：根據(jù)粒子的權(quán)重，使具有較低權(quán)重的粒子被刪除，較高權(quán)重的粒子被復(fù)制，并更加密集的表示機(jī)器人的位置。

AMCL 功能包基本參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

其中Odom_model_type 為里程計(jì)模型選擇，本文為差速機(jī)器人設(shè)置為diff，全向輪可設(shè)置為omni。Odom_frame_id 設(shè)置里程計(jì)坐標(biāo)系。Base_frame_id 設(shè)置機(jī)器人極坐標(biāo)系。Global_frame_id 設(shè)置地圖坐標(biāo)系。

3.2 move_base 功能包

move_base 功能包是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)及其參數(shù)配置組成的復(fù)雜系統(tǒng)。其中，主要的節(jié)點(diǎn)包括了全局路徑規(guī)劃器和局部路徑規(guī)劃器，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動時(shí)，全局路徑規(guī)劃器會根據(jù)機(jī)器人目前位置坐標(biāo)和目標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)，在地圖上規(guī)劃出一條可行的全局路徑；而局部路徑規(guī)劃器則會根據(jù)機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地更新局部路徑，避免機(jī)器人發(fā)生碰撞等意外事件[11]。同樣，move_base 功能包也配置參數(shù)，以下是幾份相關(guān)的文件。

3.2.1 通用參數(shù)配置

其中：robot_radius 為機(jī)器人半徑，機(jī)器人底盤為圓形半徑為0.13。obstacle_range 是將機(jī)器人周圍2m 范圍內(nèi)的新的障礙物添加到地圖中，raytrance_range 則是將不存在的障礙物從地圖中刪除。Information_radius 是障礙物的擴(kuò)展半徑，防止機(jī)器人發(fā)生碰撞。coservation_sources 是導(dǎo)航中需要的傳感器，本文使用的是激光雷達(dá)。

3.2.2 全局代價(jià)地圖參數(shù)設(shè)置

其中：update_frequency 的作用是確定代價(jià)地圖更新頻率，而publish_frequency[12]是確定代價(jià)地圖發(fā)布的頻率，這兩個(gè)參數(shù)都被設(shè)定為1Hz。此外，transform_tolerance 的作用是確定等待坐標(biāo)轉(zhuǎn)換發(fā)布的最大延誤時(shí)間，這個(gè)數(shù)值設(shè)定為0.5 秒。最后，static_map 的作用則是用于確定是否使用已有的地圖來初始化全局代價(jià)地圖，為了使用之前創(chuàng)建的二維柵格地圖，這里設(shè)置為true。

3.2.3 局部代價(jià)地圖參數(shù)設(shè)置

其中，局部代價(jià)地圖與全局代價(jià)地圖參數(shù)含義大致相同。但是因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，局部代價(jià)地圖static_map 設(shè)置為false，使用動態(tài)窗口。width 和height 局部地圖的高度和寬度，這里都設(shè)置為2m。resolution 設(shè)置局部地圖的分辨率為0.05，與靜態(tài)地圖分辨率保持一致。

4 建圖和導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證軟硬件設(shè)計(jì)的可行性，根據(jù)前文的地圖構(gòu)建方案以及導(dǎo)航系統(tǒng)方案，完成移動機(jī)器人平臺的搭建，并對機(jī)器人平臺二維柵格地圖構(gòu)建與多點(diǎn)導(dǎo)航功能進(jìn)行測試。

4.1 二維柵格地圖構(gòu)建測試

試驗(yàn)場地選擇宿舍樓茶水間和樓梯間兩間房，如圖6 所示。通過鍵盤控制節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人移動，機(jī)器人最大角速度設(shè)置為0.2rad/s，最大線速度設(shè)置為0.1m/s，低速行駛建圖更加準(zhǔn)確。機(jī)器人遍歷整個(gè)環(huán)境后，地圖效果如圖7 所示。對比圖6 和圖7可以看出，構(gòu)建的地圖可以準(zhǔn)確體現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境特征。

圖6 實(shí)驗(yàn)場地現(xiàn)場圖

圖7 實(shí)驗(yàn)場地地圖創(chuàng)建效果圖

4.2 導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)是在上節(jié)構(gòu)建的地圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，機(jī)器人需要滿足合理的路徑規(guī)劃，避免與障礙物發(fā)生碰撞，并且能夠進(jìn)行多點(diǎn)導(dǎo)航，到達(dá)各個(gè)設(shè)置的目標(biāo)點(diǎn)。

在本次測試中，在地圖上設(shè)置了0~16 共17 個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人依次到達(dá)17 個(gè)點(diǎn)位，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)點(diǎn)16 點(diǎn)后機(jī)器人又重新規(guī)劃到0 點(diǎn)的路線進(jìn)行下一次的循環(huán)，當(dāng)然在機(jī)器人運(yùn)行過程中也可以新增目標(biāo)點(diǎn)。效果圖如圖8 所示。圖8分別是9 點(diǎn)到10 點(diǎn)以及15 到16 點(diǎn)的導(dǎo)航效果圖，可以看出路徑規(guī)劃平滑合理，與墻壁或其他障礙物保持一定距離，沒有發(fā)生碰撞。機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建成功，成功到達(dá)各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)導(dǎo)航功能。

圖8 多點(diǎn)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)效果圖

5 結(jié)論

論文以室內(nèi)移動機(jī)器人多目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)為目的，設(shè)計(jì)了移動機(jī)器人平臺，該機(jī)器人平臺上位機(jī)采用樹莓派作為控制中心實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法，下位機(jī)采用STM32 作為控制中心驅(qū)動電機(jī)與相關(guān)數(shù)據(jù)采集。基于搭建的實(shí)驗(yàn)平臺完成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)器人移動平臺能夠完成室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的柵格地圖構(gòu)建，且建圖效果良好；并且基于構(gòu)建的地圖實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)導(dǎo)航功能。該項(xiàng)技術(shù)對于各種巡檢機(jī)器人的導(dǎo)航定位系統(tǒng)的開發(fā)具有較高的參考價(jià)值。