面向新工科的多功能機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件設(shè)計(jì)

欒添添 白曉龍 孫明曉

摘要：為實(shí)現(xiàn)新工科背景下機(jī)器人工程專業(yè)體系建設(shè)與人才培養(yǎng)，設(shè)計(jì)了多功能機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot?Operating?System，ROS）教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件。套件主要由“樹莓派”控制器、單線陀螺儀慣性測(cè)量單元（Inertial?Measurement?Unit，IMU）、單目視覺相機(jī)、2D激光雷達(dá)以及直流電機(jī)等組成，主要功能包括：ROS基礎(chǔ)通信、機(jī)器人仿真顯示、IMU陀螺儀姿態(tài)顯示、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示、視覺圖像顯示與圖像識(shí)別以及ROS電機(jī)操作控制等。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件完全開源，支持二次測(cè)試開發(fā)，可以滿足學(xué)生基于ROS的各類學(xué)習(xí)操作需求。該套件旨在提高學(xué)生對(duì)ROS的認(rèn)知水平，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)ROS理論知識(shí)的進(jìn)一步理解，為其后續(xù)操作基于ROS的機(jī)器人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與科研應(yīng)用奠定理論和操作基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ROS（？？）??新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)??機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)??激光雷達(dá)數(shù)據(jù)??視覺圖像識(shí)別

Design?of?an?Experimental?Teaching?Kit?for?the?Multifunctional?Robot?Operating?System?for?New?Engineering

LUAN?Tiantian??BAI?Xiaolong??SUN?Mingxiao*

（School?of?Automation，?Harbin?University?of?Science?and?Technology，?Harbin，?Heilongjiang?Province，?150080?China）

Abstract：?In?order?to?realize?the?system?construction?and?talent?training?of?robot?engineering?majors?under?the?background?of?new?engineering，?a?teaching?experiment?kit?for?the?multifunctional?Robot?Operating?System?（ROS）?is?designed?.?This?kit?is?mainly?composed?of?a?"Raspberry?Pi"?controller，?an?inertial?measurement?unit?（IMU）?of?single-line?gyroscopes，?a?monocular?vision?camera，?a?2D?lidar，?a?DC?motor，?etc.，?and?its?main?functions?include：?the?basic?communication?of?the?ROS，?robot?simulation?display，?IMU?gyroscope?attitude?display，?lidar?data?display，?visual?image?display?and?image?recognition?and?ROS?motor?operation?control.?This?experimental?teaching?kit?is?completely?open-source?and?supports?secondary?test?development，?which?can?meet?the?needs?of?students?for?various?learning?operations?based?on?the?ROS.?This?kit?aims?to?improve?students'?cognitive?level?of?the?ROS?and?realize?their?further?understanding?of?the?theoretical?knowledge?of?the?ROS，?so?as?to?lay?a?theoretical?and?operational?foundation?for?their?subsequent?operation?of?the?innovation，?entrepreneurship?and?scientific?research?applications?of?robots?based?on?the?ROS.

Key?Words：?Robot?operating?system;?Experimental?teaching?of?new?engineering;?Construction?of?robot?engineering?majors;?Lidar?data;?Visual?image?recognition

在新工科背景下，工程實(shí)踐能力是所有學(xué)生需要培養(yǎng)的基礎(chǔ)能力，也是檢驗(yàn)現(xiàn)代化教學(xué)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)[1]。因此，制訂相關(guān)的教學(xué)計(jì)劃，設(shè)計(jì)開發(fā)工程實(shí)踐教學(xué)套件，對(duì)工程專業(yè)性人才培養(yǎng)和工程學(xué)科建設(shè)均有重要意義和價(jià)值[2]。

機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot?Operating?System，ROS）是目前應(yīng)用范圍最廣的開源機(jī)器人操作系統(tǒng)[3]，其系統(tǒng)穩(wěn)定性和開發(fā)性屬于當(dāng)前機(jī)器人的第一梯隊(duì)，培養(yǎng)學(xué)生操作基于ROS的機(jī)器人平臺(tái)是提升工程實(shí)踐能力的重要途徑之一。結(jié)合機(jī)器人工程專業(yè)特色，搭建了多功能ROS教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件，設(shè)計(jì)了ROS基礎(chǔ)操作、ROS話題、ROS與機(jī)器人仿真、ROS與電機(jī)、ROS與激光雷達(dá)、ROS與視覺相機(jī)等一系列課程，通過ROS實(shí)驗(yàn)套件的教學(xué)以及學(xué)生基于該套件的實(shí)踐操作，可以提升學(xué)生對(duì)于ROS的認(rèn)知與理解，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，為后續(xù)更深層次的機(jī)器人系統(tǒng)學(xué)習(xí)與操作奠定良好的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)[4-5]。

1?總體設(shè)計(jì)方案

ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件主要包括核心控制器Raspberry?4B、用于位姿顯示的MPU6050陀螺儀、用于配合ROS話題指令輸出的LED模塊、用于測(cè)距的超聲波模塊、用于建圖的RPLidar?A1型2D激光雷達(dá)等。核心控制器中內(nèi)置ubuntu18.04系統(tǒng)與ROS系統(tǒng)，板載了28個(gè)GPIO接口，支持TTL?串口、I2C、SPI等總線傳輸，并集成了基礎(chǔ)控制算法，方便學(xué)生開展ROS、機(jī)器人、Python/C++和AI等方面的學(xué)習(xí)和開發(fā)，總體框架如圖1所示。

ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件為完全開源，支持程序的重新編寫與二次開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：ROS基礎(chǔ)通信、機(jī)器人仿真顯示、IMU陀螺儀姿態(tài)顯示、機(jī)器人仿真建圖與導(dǎo)航、視覺顯示標(biāo)記，圖像識(shí)別以及ROS電機(jī)操作控制等，可實(shí)現(xiàn)功能豐富，有利于授課教師及學(xué)生對(duì)ROS系統(tǒng)進(jìn)行理解和操作。

2?ROS實(shí)驗(yàn)套件功能

2.1??LED模塊控制

LED控制需要使用節(jié)點(diǎn)話題通信，由發(fā)布者、訂閱者、Master三者構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了發(fā)布、訂閱通信機(jī)制，是ROS中常用的數(shù)據(jù)交換方式。ROS實(shí)驗(yàn)套件實(shí)現(xiàn)LED控制，首先需要實(shí)現(xiàn)ROS節(jié)點(diǎn)話題通信，使發(fā)布者節(jié)點(diǎn)與訂閱者節(jié)點(diǎn)建立通信聯(lián)系，然后通過話題控制LED模塊。具體的實(shí)現(xiàn)過程為：在工作空間中創(chuàng)建對(duì)應(yīng)功能包，并給與功能包執(zhí)行Python文件的權(quán)限和執(zhí)行樹莓派GPIO[6]的權(quán)限。其次，在該功能包下創(chuàng)建執(zhí)行LED控制的Python文件并打開終端運(yùn)行該文件[7]，然后打開一個(gè)新的終端查看ROS話題。最后，新開終端分別顯示LED模塊話題狀態(tài)和發(fā)布開關(guān)LED模塊話題。

本實(shí)驗(yàn)是ROS實(shí)驗(yàn)套件入門實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)ROS中相關(guān)的基礎(chǔ)程序指令、熟悉ROS中功能包的創(chuàng)建過程以及對(duì)話題通訊機(jī)制等知識(shí)的了解。

2.2??超聲波距離測(cè)量

超聲波距離測(cè)量利用ROS系統(tǒng)中的服務(wù)機(jī)制，不同于話題機(jī)制的單向異步通信方式，服務(wù)機(jī)制采用的是一種請(qǐng)求-響應(yīng)式的模式[8]，屬于同步雙向式通信方式。

首先，在工作空間下創(chuàng)建超聲波測(cè)距功能包，分別編寫測(cè)距服務(wù)端Python文件和測(cè)距客戶端Python文件，修改對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)文件。其次，給ROS系統(tǒng)執(zhí)行樹莓派GPIO的權(quán)限，并在終端運(yùn)行測(cè)距服務(wù)端文件。最后，在終端運(yùn)行測(cè)距客戶端文件，將超聲波距離傳感器對(duì)準(zhǔn)某個(gè)物體，在終端狀態(tài)界面顯示距離。

通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)ROS中服務(wù)機(jī)制的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)一步掌握超聲波傳感器的同步雙向式通信方式，熟悉功能包的創(chuàng)建指令。

2.3??ROS機(jī)器人仿真顯示

ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件進(jìn)行機(jī)器人仿真顯示時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建統(tǒng)一機(jī)器人描述格式（Unified?Robot?Description?Format，URDF）文件，URDF是非常重要的機(jī)器人格式描述文件，該文件用于構(gòu)建機(jī)器人模型。ROS可以解析URDF文件中使用的XML格式描述的機(jī)器人模型，同時(shí)也提供URDF文件的C++解析器。進(jìn)而通過TF功能包廣播機(jī)器人模型，機(jī)器人仿真顯示的具體實(shí)現(xiàn)步驟為：在工作空間下創(chuàng)建對(duì)應(yīng)功能包，在此功能包中創(chuàng)建launch啟動(dòng)文件和機(jī)器人模型文件，在終端運(yùn)行l(wèi)aunch文件，查看其顯示效果；在終端啟動(dòng)URDF模型，啟動(dòng)三維可視化工具，將顯示機(jī)器人界面；切換到GUI窗口，可以直觀看到輪子轉(zhuǎn)動(dòng)以及TF坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)。

本實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用TF功能包和URDF文件以及RVIZ可視化工具等ROS基礎(chǔ)理論知識(shí)，學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)了如何運(yùn)用ROS仿真機(jī)器人的過程，為后續(xù)機(jī)器人開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

2.4??IMU位姿顯示

IMU慣性測(cè)量單元是測(cè)量物體三軸角速度和加速度的設(shè)備[9]。ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件通過與MPU6050型IMU相連，啟動(dòng)相應(yīng)程序可以實(shí)現(xiàn)IMU當(dāng)前位姿測(cè)量與顯示。MPU的基本功能有以下兩部分：3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)，分別用來測(cè)量x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度和x、y、z方向收到的加速度。3軸陀螺儀通過對(duì)各軸角速度求積分可以得到三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；而3軸加速度計(jì)可以測(cè)量三個(gè)軸所受的加速度，在靜止?fàn)顟B(tài)下，測(cè)量到的是重力加速度，當(dāng)物體發(fā)生傾斜時(shí)，通過計(jì)算傾斜時(shí)的重力分力，可以粗略的得到傾斜角度。當(dāng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，除了重力加速度，還疊加了由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度。

ROS控制器和MPU之間的通信采用了I2C總線協(xié)議，該協(xié)議涉及兩條關(guān)鍵信號(hào)線路：SDA數(shù)據(jù)線和SCL時(shí)鐘線，用于數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘同步。在主函數(shù)中，首先進(jìn)行ROS節(jié)點(diǎn)的初始化，并創(chuàng)建發(fā)布者，將IMU計(jì)算得出的位姿數(shù)據(jù)發(fā)布到特定話題中，以便其他訂閱節(jié)點(diǎn)能夠接收到。其次，通過smbus模塊通道的初始化，設(shè)置IMU模塊的寄存器地址，通過I2C總線協(xié)議讀取數(shù)據(jù)位的信息。最后，通過姿態(tài)計(jì)算公式，計(jì)算出IMU的橫滾角和俯仰角。程序運(yùn)行后，采集的最終結(jié)果經(jīng)過換算后將在用戶界面中呈現(xiàn)。當(dāng)IMU發(fā)生擺動(dòng)時(shí)，界面數(shù)據(jù)會(huì)相應(yīng)地變化。這種實(shí)時(shí)更新為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物體的姿態(tài)變化提供了重要支持。

IMU位姿顯示主要由兩部分組成，具體內(nèi)容如下。

2.4.1??安裝i2c-tools套件

打開終端，輸入安裝指令，安裝完成后，接著輸入指令檢測(cè)IMU是否連接成功。

2.4.2??創(chuàng)建功能包

在工作空間下創(chuàng)建對(duì)應(yīng)功能包，在功能包下創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的python程序文件，然后運(yùn)行節(jié)點(diǎn)文件，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

通過對(duì)MPU6050型IMU的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握MPU6050數(shù)據(jù)處理的原理，熟悉I2C總線的通信方法和讀取操作，并了解創(chuàng)建ROS軟件包的過程以及話題發(fā)布IMU數(shù)據(jù)的應(yīng)用過程。

2.5??ROS與激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是機(jī)器人進(jìn)行地圖建立的常用傳感器之一[10]，主要應(yīng)用有二維激光雷達(dá)和三維激光雷達(dá)。而激光雷達(dá)主要有激光發(fā)射機(jī)構(gòu)、反射回激光機(jī)構(gòu)以及信號(hào)處理單元三部分組成。ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件通過與RPLidar?A1型2D激光雷達(dá)連接能夠?qū)崿F(xiàn)激光數(shù)據(jù)的顯示以及簡(jiǎn)單地圖的建立，二維激光雷達(dá)能夠發(fā)射單線激光，進(jìn)行圓周轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)環(huán)境進(jìn)行360°的掃描，形成二維平面。

激光雷達(dá)需要配備相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)ROS功能包，通過對(duì)相應(yīng)ROS功能包進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[11-12]，才能正常工作。激光雷達(dá)所得到的數(shù)據(jù)，通過rosbag命令進(jìn)行記錄、回放、分析，通過該命令可以將指定的數(shù)據(jù)記錄到.bag后綴的數(shù)據(jù)包中，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的離線分析和處理。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是激光雷達(dá)工作的重要步驟，主要有五部分組成：點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類或分割、點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征提取。

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示主要分為3個(gè)階段，具體為：打開終端，輸入命令以錄制激光雷達(dá)話題數(shù)據(jù)并且保存bag包文件，然后再打開新的終端，輸入對(duì)應(yīng)指令啟動(dòng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集；回放上一步的激光雷達(dá)bag包文件，打開新終端，通過輸入回放指令，進(jìn)行回放；數(shù)據(jù)顯示階段：打開RVIZ界面，配置對(duì)應(yīng)參數(shù)及話題，激光雷達(dá)開始回放采集的數(shù)據(jù)?；胤诺募す饫走_(dá)話題數(shù)據(jù)與錄制時(shí)的數(shù)據(jù)保持一致。

在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以領(lǐng)會(huì)激光雷達(dá)的工作原理，并且掌握如何使用單線二維激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)，熟悉RVIZ可視化工具的設(shè)計(jì)流程。

2.6??ROS與視覺相機(jī)

視覺相機(jī)是機(jī)器人的核心傳感器之一，它扮演著機(jī)器人“眼睛”的角色，視覺相機(jī)的目的是將通過鏡頭抓取到的投影在傳感器的圖像傳送到能夠儲(chǔ)存、分析和顯示的機(jī)器設(shè)備上。通過視覺相機(jī)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，機(jī)器人可以完成定位和導(dǎo)航等任務(wù)。ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件通過連接單目相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)畫面的實(shí)時(shí)顯示。單目相機(jī)對(duì)于采集的數(shù)據(jù)處理非常方便，其顯示圖像為二維圖片，且該相機(jī)與控制器的通信方式采用USB接口進(jìn)行通信。

在ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以進(jìn)一步開發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別功能。利用開源的計(jì)算框架TensorFlow，通過加載MNIST字符集的預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行手寫數(shù)字識(shí)別。首先，在終端運(yùn)行相機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，啟動(dòng)相機(jī)設(shè)備。接著，打開另一個(gè)新的終端運(yùn)行對(duì)應(yīng)控制指令，啟動(dòng)ROS節(jié)點(diǎn)。在白紙上用記號(hào)筆手寫一個(gè)數(shù)字，將相機(jī)對(duì)準(zhǔn)數(shù)字，啟動(dòng)RVIZ界面。從RVIZ中可以看到相機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)布的未經(jīng)處理的原始數(shù)字圖像，還有經(jīng)過閾值分割以后的二值化圖像。

通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握ROS獲取視覺相機(jī)數(shù)據(jù)的方法，掌握通過ROS與視覺相機(jī)的通信方式；通過對(duì)MNIST手寫數(shù)字的識(shí)別以及ROS與TensorFlow的聯(lián)合調(diào)用，學(xué)生可以了解深度學(xué)習(xí)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，為將來從事機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2.7??ROS與電機(jī)

電機(jī)控制是實(shí)現(xiàn)ROS機(jī)器人移動(dòng)的基本條件，ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件通過與兩個(gè)直流電機(jī)連接實(shí)現(xiàn)兩輪簡(jiǎn)單機(jī)器人的移動(dòng)[13]。電機(jī)控制需要通過控制器發(fā)出PWM波形，電源逆變驅(qū)動(dòng)器接收到波形后，控制電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，然后傳感器將采集的電機(jī)數(shù)據(jù)反饋到控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過對(duì)PWM波形調(diào)制，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同速度的移動(dòng)。

首先，給ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件增加RPi引腳庫權(quán)限，實(shí)現(xiàn)控制器與ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件的交互。接下來，安裝ROS鍵盤控制官方功能包，實(shí)現(xiàn)鍵盤控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的功能[14]。啟動(dòng)ROS?master，節(jié)點(diǎn)間相互通信，啟動(dòng)ROS鍵盤控制官方功能包，虛擬環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)界面。最后，通過ROS程序執(zhí)行樹莓派GPIO權(quán)限，然后啟動(dòng)編寫的控制電機(jī)程序。

在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理、PWM波形調(diào)制原理，掌握ROS控制電機(jī)的方法，為以后學(xué)習(xí)ROS機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

3?結(jié)語

多功能ROS實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件是實(shí)現(xiàn)“新工科”背景下體系建設(shè)與人才培養(yǎng)的重要途徑。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該套件能夠滿足學(xué)生對(duì)ROS相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐，符合教學(xué)要求且該套件程序完全開源，支持二次開發(fā)，通過該套件的實(shí)踐訓(xùn)練，有助于提升學(xué)生工程實(shí)踐能力。通過本實(shí)驗(yàn)教學(xué)套件，可以讓學(xué)生對(duì)ROS操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)和操作有更深層次的認(rèn)識(shí)，激發(fā)對(duì)于ROS系統(tǒng)實(shí)踐的興趣，有利于學(xué)生了解當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)的前沿知識(shí)，也有助于鍛煉學(xué)生工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)探索、工程實(shí)踐和工程思辨等方面的能力。

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