基于ROS2的隧道巡檢機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

文章探討了ROS2技術(shù)在隧道巡檢機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，闡述了基于ROS2的隧道巡檢機(jī)器人軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法，并通過對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、模塊設(shè)計(jì)、通信協(xié)議等方面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的介紹，為相關(guān)研究和開發(fā)提供參考。

ROS2；機(jī)器人；隧道巡檢

U491.1+16A561934

作者簡介：

李" 雍（1993—），工程師，主要從事智能交通工程科技創(chuàng)新及機(jī)電設(shè)計(jì)管理工作。

0" 引言

隨著高速公路網(wǎng)絡(luò)的日益龐大，其運(yùn)營管理和維護(hù)保養(yǎng)工作也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，特別是在隧道等復(fù)雜路段，由于其特殊的環(huán)境和構(gòu)造，安全問題尤為突出。因此，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，提高隧道的巡檢效率和質(zhì)量，已成為當(dāng)前高速公路管理領(lǐng)域亟待解決的問題。傳統(tǒng)的隧道巡檢主要依賴人工完成，這種方式不僅效率低下，而且受人為因素影響大，難以保證巡檢的全面性和準(zhǔn)確性。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的行業(yè)開始嘗試將機(jī)器人應(yīng)用于各種復(fù)雜和危險(xiǎn)的環(huán)境中，以替代或輔助人工完成特定任務(wù)。在高速公路隧道巡檢領(lǐng)域，巡檢機(jī)器人憑借其高效、準(zhǔn)確、安全的特點(diǎn)，逐漸展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力［1-4］。

ROS（Robot Operating System，機(jī)器人操作系統(tǒng)）作為目前機(jī)器人軟件領(lǐng)域的開源框架，憑借其模塊化、通用性和擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，已成為機(jī)器人軟件開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。ROS2作為ROS的升級(jí)版，在性能、安全性和易用性等方面都有了顯著的提升，為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力［5-7］。

本文研究旨在探討基于ROS2的隧道巡檢機(jī)器人軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，期望能夠?yàn)樗淼姥矙z機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供一種有效的解決方案，推動(dòng)我國高速公路隧道巡檢工作的智能化、自動(dòng)化發(fā)展。

1" ROS2介紹

1.1" ROS2簡介

在ROS及ROS2出現(xiàn)之前，機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)相對(duì)復(fù)雜和繁瑣。開發(fā)者通常需要手動(dòng)編寫大量的底層代碼，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊之間的通信和協(xié)調(diào)。這不僅增加了開發(fā)的難度和周期，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的不足。ROS2旨在為機(jī)器人軟件開發(fā)提供更高效、靈活和可擴(kuò)展的平臺(tái)。自其發(fā)布以來，ROS2已經(jīng)吸引了全球機(jī)器人開發(fā)者、研究者和企業(yè)的廣泛關(guān)注。許多知名的機(jī)器人公司，如波士頓動(dòng)力、特斯拉等，都在其機(jī)器人項(xiàng)目中采用了ROS2。ROS2的出現(xiàn)為機(jī)器人開發(fā)帶來了顯著的好處和便利。ROS2提供了統(tǒng)一的開發(fā)框架和API，簡化了開發(fā)者的工作流程，并提供了豐富的工具庫，為開發(fā)者提供了極大的便利。ROS2作為下一代機(jī)器人操作系統(tǒng)，憑借其高效、靈活和可擴(kuò)展的特點(diǎn)，正在推動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1.2" ROS2的主要機(jī)制

ROS2最重要的幾個(gè)機(jī)制為：節(jié)點(diǎn)、話題、服務(wù)、動(dòng)作。正是基于這幾個(gè)機(jī)制，使得基于ROS2的機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)變得方便和高效。

（1）節(jié)點(diǎn)（Nodes）：節(jié)點(diǎn)是ROS2中的基本執(zhí)行單元，代表著系統(tǒng)中的一個(gè)可執(zhí)行進(jìn)程。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以執(zhí)行特定的任務(wù)，如傳感器數(shù)據(jù)采集、控制執(zhí)行等。節(jié)點(diǎn)之間通過話題、服務(wù)和動(dòng)作進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息交換和協(xié)作。

（2）話題（Topics）：話題是ROS2中最常用的通信模式之一，采用發(fā)布-訂閱模式。節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布消息到話題，而其他節(jié)點(diǎn)則可以訂閱相同的話題以接收消息。話題的發(fā)布者和訂閱者之間是解耦的，使得系統(tǒng)更加靈活和可擴(kuò)展。

（3）服務(wù)（Services）：服務(wù)是ROS2中的一種客戶端-服務(wù)器通信模式。節(jié)點(diǎn)可以提供服務(wù)，而其他節(jié)點(diǎn)則可以請(qǐng)求該服務(wù)并等待響應(yīng)。服務(wù)請(qǐng)求者會(huì)發(fā)送請(qǐng)求消息給服務(wù)提供者，后者處理請(qǐng)求并發(fā)送響應(yīng)消息。服務(wù)適用于需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、請(qǐng)求-響應(yīng)交互的場(chǎng)景，如配置參數(shù)、執(zhí)行命令等。

（4）動(dòng)作（Actions）：動(dòng)作是ROS2中的一種更高級(jí)別的通信模式，支持長時(shí)間執(zhí)行的任務(wù)。適用于需要更復(fù)雜的交互、長時(shí)間執(zhí)行或需要取消和監(jiān)控任務(wù)進(jìn)度的場(chǎng)景，如導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制等。

2" 隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1" 隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)概述

本文基于ROS2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)能為隧道巡檢機(jī)器人提供整體框架，其整合了隧道巡檢機(jī)器人的各個(gè)部件和傳感器，能實(shí)現(xiàn)集中控制和數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)化地完成隧道巡檢任務(wù)，采集隧道里路面狀況、隧道設(shè)施、交通標(biāo)志、交通流量、環(huán)境狀況、安全狀況等方面的關(guān)鍵數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，最終提供事件分析結(jié)果。同時(shí)，軟件系統(tǒng)提供了外部管理平臺(tái)或工具的調(diào)用接口，使管理者可以遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)隧道巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)靈活和高效的操作和管理。

2.2" 整體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)處于操作系統(tǒng)層與驅(qū)動(dòng)層之間，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）調(diào)用操作系統(tǒng)提供的底層接口及硬件驅(qū)動(dòng)操控隧道巡檢機(jī)器人硬件層的各個(gè)外設(shè)部件，獲取外設(shè)部件的數(shù)據(jù)。

（2）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理及處理，如：轉(zhuǎn)發(fā)、清洗、整理、分析、輸出決策等。

（3）通過網(wǎng)絡(luò)層向控制展示層（如Web應(yīng)用、小程序、APP、桌面程序等）提供接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)外部對(duì)隧道巡檢機(jī)器人的管控及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

系統(tǒng)基于ROS2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的各個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)為ROS節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互通過ROS2的話題和服務(wù)進(jìn)行交互，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)也通過ROS話題和服務(wù)的方式向外部提供業(yè)務(wù)接口。

其中，電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)、氣體傳感器控制節(jié)點(diǎn)、雷達(dá)控制節(jié)點(diǎn)、rfid讀卡器控制節(jié)點(diǎn)、繼電器控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)各個(gè)傳感器或外設(shè)的控制；事件檢測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)匯聚收集各傳感器、攝像頭等外設(shè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)相應(yīng)算法計(jì)算事件檢測(cè)結(jié)果并進(jìn)行決策；站點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)隧道里關(guān)鍵位置的信息的管理；任務(wù)管理實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢任務(wù)的配置及觸發(fā)；控制中心通信節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)ROS2系統(tǒng)向外提供進(jìn)行交互的接口，后端控制程序通過這些接口獲取機(jī)器人的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行展示，或下發(fā)指令對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操控。機(jī)器人的配置信息、隧道路線數(shù)據(jù)、采集的數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、控制命令記錄、日志記錄將保存在機(jī)器人本地的數(shù)據(jù)庫中并將配置遠(yuǎn)程備份策略進(jìn)行遠(yuǎn)程同步。

2.3" 主要模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.3.1" 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)或進(jìn)行巡檢作業(yè)的核心模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)為一個(gè)ROS2節(jié)點(diǎn)（motor_node）。該節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)電機(jī)控制器提供的Modbus協(xié)議接口，通過串口向電機(jī)控制器下發(fā)相應(yīng)的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制以及電機(jī)數(shù)據(jù)的獲取，包括電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)獲取、電機(jī)運(yùn)行指令下發(fā)、電機(jī)運(yùn)行到指定位置指令下發(fā)、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)配置等功能。節(jié)點(diǎn)根據(jù)ROS2的話題服務(wù)機(jī)制對(duì)電機(jī)數(shù)據(jù)打包為ROS話題及ROS服務(wù)，實(shí)現(xiàn)模塊間的數(shù)據(jù)交互：（1）構(gòu)造名為motor_status的ROS話題，話題用于廣播電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以供其他節(jié)點(diǎn)訂閱；（2）構(gòu)造名為motor_control的ROS服務(wù)，該服務(wù)用于提供電機(jī)控制命令，包含控制移動(dòng)、控制停止、移動(dòng)到指定位置、移動(dòng)到指定站點(diǎn)、循環(huán)移動(dòng)、充電等。

2.3.2" 控制中心通信模塊

控制中心通信模塊實(shí)現(xiàn)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供的ROS話題、服務(wù)進(jìn)行共享，為非ROS系統(tǒng)能夠與ROS系統(tǒng)進(jìn)行通信提供數(shù)據(jù)交互方式，使外部系統(tǒng)能夠充分利用ROS系統(tǒng)的各種功能和資源并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸。

模塊通過ROS2的功能庫Rosbridge實(shí)現(xiàn)為一個(gè)ROS節(jié)點(diǎn)（rosbridge_websocket）。ROSBridge是ROS2提供的一個(gè)重要工具庫，其實(shí)現(xiàn)了ROS2與外部應(yīng)用的跨平臺(tái)通信、消息轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程通信的功能。

節(jié)點(diǎn)使用WebSocket作為通信的協(xié)議，通過監(jiān)聽WebSocket連接，處理來自非ROS應(yīng)用程序的消息，同時(shí)將ROS系統(tǒng)中的消息發(fā)送到外部非ROS應(yīng)用程序。外部非ROS應(yīng)用程序可以使用隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的話題和服務(wù)，與ROS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向通信，最終實(shí)現(xiàn)從外部控制層對(duì)隧道巡檢機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、控制及數(shù)據(jù)展示。

2.3.3" 機(jī)器人配置管理模塊

機(jī)器人配置管理模塊實(shí)現(xiàn)為一個(gè)ROS節(jié)點(diǎn)（robot_config_node），通過構(gòu)造robot_configure、station_configure、task_assigned 3個(gè)主要的ROS服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道巡檢機(jī)器人的參數(shù)配置、隧道路線配置、機(jī)器人作業(yè)任務(wù)分發(fā)的功能。

2.3.4" 事件檢測(cè)模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)為一個(gè)ROS節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)通過訂閱系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)模塊的話題，采集各傳感器的數(shù)據(jù)和攝像頭的視頻流，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的全方位監(jiān)測(cè)和事件檢測(cè)。

模塊利用YOLOv5作為核心的目標(biāo)檢測(cè)算法，能夠?qū)崟r(shí)地分析視頻流中的內(nèi)容，識(shí)別如行人、車輛、隧道設(shè)備等各種目標(biāo)，并結(jié)合傳感器提供的數(shù)據(jù)和視頻流的特征，檢測(cè)出如隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備損壞、火災(zāi)、空氣污染、交通事故等事件，并在最短的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)和異常情況，并發(fā)出報(bào)警信息。

2.3.5" 各傳感器控制模塊

各種傳感器的控制模塊均實(shí)現(xiàn)為ROS節(jié)點(diǎn)，通過調(diào)用各傳感器驅(qū)動(dòng)提供的接口，從USB、串口、網(wǎng)口讀取傳感器數(shù)據(jù)，并構(gòu)造ROS話題供其他模塊節(jié)點(diǎn)訂閱，構(gòu)造ROS服務(wù)供其他模塊節(jié)點(diǎn)調(diào)用。

主要的傳感器節(jié)點(diǎn)的ROS話題/服務(wù)如表1所示。

2.3.6" ROS2整體節(jié)點(diǎn)圖

系統(tǒng)的ROS2節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示，展示了系統(tǒng)種各個(gè)節(jié)點(diǎn)及ROS話題的訂閱關(guān)系。

3" 系統(tǒng)應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，本文對(duì)該隧道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)在廣西思防高速公路捂銀山隧道中進(jìn)行了實(shí)地部署安裝運(yùn)行。

基于系統(tǒng)提供的接口服務(wù)，配套開發(fā)了針對(duì)巡檢機(jī)器人WEB控制系統(tǒng)以及移動(dòng)端控制APP，如圖3和下頁圖4所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，本文所述的隧道巡檢機(jī)器人展現(xiàn)出了強(qiáng)大的功能性和出色的穩(wěn)定性。通過搭載的高清攝像頭和多種傳感器，機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)捕捉隧道內(nèi)部的各種細(xì)節(jié)為管理人員提供準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)支持；機(jī)器人提供的豐富的控制接口和任務(wù)下發(fā)機(jī)制，也為管理人員的操控提供了極大的便捷。

相較于傳統(tǒng)的人工巡檢方式，該隧道巡檢機(jī)器人能夠在短時(shí)間內(nèi)完成更大范圍的隧道巡查任務(wù)，避免了人員在惡劣環(huán)境下的工作風(fēng)險(xiǎn)，大大降低了人力成本和安全風(fēng)險(xiǎn)；管理人員也可以更加精準(zhǔn)地了解隧道的結(jié)構(gòu)病害、運(yùn)營隱患、實(shí)時(shí)交通狀況等信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的處理措施，從而確保隧道的正常運(yùn)行和通行安全。

4" 結(jié)語

本論文通過研究與實(shí)踐，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ROS2的高速公路隧道巡檢機(jī)器人軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效地提升高速公路隧道的安全管理水平，提高巡檢效率和精度，減少人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于保障高速公路交通的高效運(yùn)營具有重要意義。同時(shí)通過對(duì)ROS2技術(shù)的應(yīng)用，

充分展現(xiàn)了ROS2作為機(jī)器人操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，其靈活性、便利性以及對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的支持能力為本研究提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

展望未來，隨著ROS2技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，ROS2在交通領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊，應(yīng)進(jìn)一步探索ROS2技術(shù)在智能交通系統(tǒng)、無人駕駛技術(shù)、交通管理等方面的應(yīng)用，為交通領(lǐng)域的現(xiàn)代化和智能化發(fā)展貢獻(xiàn)更多的力量。

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20240228