基于ROS的智能機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)研究

李昆 燕京理工學(xué)院

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及應(yīng)用成果的不斷豐碩，基于ROS 的智能機(jī)器人技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，服務(wù)于廣大機(jī)器人行業(yè)、企業(yè)、院校及研究機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于企業(yè)前期開(kāi)發(fā)驗(yàn)證、院校教學(xué)研究等，成本趨于降低，性能趨于高效，維護(hù)趨于簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)趨于多樣。

一、ROS 概述

世界范圍內(nèi)對(duì)于智能機(jī)器人的研究起步于20世紀(jì)60、70年代，我國(guó)則在20世紀(jì)90年代時(shí)，由清華大學(xué)取得了智能機(jī)器人研究的突破，在路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸和傳感器使用等方面進(jìn)步明顯。隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和機(jī)器人行業(yè)的不斷進(jìn)步，智能機(jī)器人的功能逐漸增加，模塊逐漸多樣，系統(tǒng)逐漸復(fù)雜，之前機(jī)器人代碼的不可復(fù)用性問(wèn)題成為了阻礙智能機(jī)器人研究水平提升的阻礙，基于此，ROS 被提出并廣泛應(yīng)用。

ROS 的出現(xiàn)，很好地解決了機(jī)器人代碼的不可復(fù)用性問(wèn)題，使得不同智能機(jī)器人之間可以實(shí)現(xiàn)功能的有效分享與復(fù)制。ROS 的開(kāi)源免費(fèi)和支持多種編程語(yǔ)言的特點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了極大地便利，極大地推動(dòng)了智能機(jī)器人的發(fā)展水平，現(xiàn)階段，智能機(jī)器人在醫(yī)療、餐飲、客服、安防等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，這都要得益于ROS 的出現(xiàn)與應(yīng)用。

二、智能機(jī)器人概述

本文以ARTrobot-ROS 智能機(jī)器人平臺(tái)為例，這是一款驅(qū)動(dòng)模塊高度集成、種類豐富，軟件設(shè)計(jì)框架簡(jiǎn)單清晰的產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建、自主導(dǎo)航、語(yǔ)音交互、深度視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等功能，提供教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教材，包括linux、python及ROS、機(jī)器人算法等理論教學(xué)，提供ARTrobot 大仿人機(jī)器人、虛擬仿真機(jī)器人實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供實(shí)驗(yàn)例程，可驗(yàn)證大仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)算法，是學(xué)習(xí)智能機(jī)器人及無(wú)人駕駛技術(shù)的優(yōu)質(zhì)平臺(tái)。

該智能機(jī)器人搭載i5-7200U 處理器，預(yù)裝Ubuntu 系統(tǒng)，配備深度視覺(jué)傳感器、體感感應(yīng)器、顏色和深度感應(yīng)鏡頭，以提供人體跟隨以及語(yǔ)音跟隨案例；配備麥語(yǔ)音麥克風(fēng)陣列，提供聲源定位、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音喚醒、語(yǔ)意交流、語(yǔ)音控制功能及代碼。

該智能機(jī)器人采用現(xiàn)階段比較主流的三輪驅(qū)動(dòng)，避免了四輪驅(qū)動(dòng)需要通過(guò)懸掛和彈簧減震系統(tǒng)解決路面不平問(wèn)題所帶來(lái)的復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題，更有利于功能的實(shí)現(xiàn)和節(jié)約生產(chǎn)成本。當(dāng)然，相比于四輪驅(qū)動(dòng)而言，三輪驅(qū)動(dòng)的計(jì)算量更大，運(yùn)動(dòng)代碼結(jié)算更為復(fù)雜，效率相對(duì)較低。

三、智能機(jī)器人的導(dǎo)航功能

導(dǎo)航功能是室內(nèi)教學(xué)型智能機(jī)器人的核心技術(shù)，基于ROS 的開(kāi)源算法，現(xiàn)階段智能機(jī)器人的導(dǎo)航算法更加簡(jiǎn)單，軟件開(kāi)發(fā)的成本大幅降低。

本文所討論的智能機(jī)器人配備有激光雷達(dá)，能夠進(jìn)行360 度全方位掃描，并依靠SLAM 導(dǎo)航參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能。現(xiàn)階段智能機(jī)器人都可以完成自主導(dǎo)航，即智能機(jī)器人可自主規(guī)劃一條到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的合理路線。在這個(gè)過(guò)程中，導(dǎo)航問(wèn)題可以被轉(zhuǎn)化成柵格地圖路徑規(guī)劃問(wèn)題，隨著智能機(jī)器人的位置變化，激光雷達(dá)會(huì)通過(guò)不斷掃描而形成新的數(shù)據(jù)，而智能機(jī)器人所配備的定位算法會(huì)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)與智能機(jī)器人的當(dāng)前位置進(jìn)行路徑的持續(xù)更新，激光雷達(dá)掃描所得到的信息以及智能機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中的速度、位置等信息，還會(huì)被用于判斷智能機(jī)器人是否會(huì)碰上障礙物。

當(dāng)智能機(jī)器人算法解析出最終完成路程所需的實(shí)時(shí)速度和角速度后，信息會(huì)被發(fā)送至控制節(jié)點(diǎn)，并由控制節(jié)點(diǎn)完成運(yùn)動(dòng)學(xué)解析，并將控制命令發(fā)送至執(zhí)行結(jié)構(gòu)，以此完成智能機(jī)器人自主導(dǎo)航的全部控制任務(wù)。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以了解到ROS 系統(tǒng)的先進(jìn)性，其免費(fèi)開(kāi)源的特點(diǎn)為智能機(jī)器人的發(fā)展創(chuàng)造了更加廣闊的平臺(tái)，為研究的深入和功能的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了可能。本文以ARTrobot-ROS 型號(hào)智能機(jī)器人平臺(tái)為例，概述了智能機(jī)器人的部分參數(shù)，詳細(xì)介紹了智能機(jī)器人的自主導(dǎo)航功能，希望能夠?yàn)橹悄軝C(jī)器人的推廣及普及起到一定的作用和參考。除此之外，現(xiàn)階段智能機(jī)器人的系統(tǒng)正在趨于復(fù)雜化，實(shí)現(xiàn)功能的各類模塊正在趨于多樣化，智能機(jī)器人的分層設(shè)計(jì)理念正在成為設(shè)計(jì)的主流思想，對(duì)于有效提升智能機(jī)器人的性能具有突出意義，今后研究人員對(duì)于智能機(jī)器人模塊的研究方向?qū)②呌卺槍?duì)性和專業(yè)性，各模塊之間的復(fù)用性將進(jìn)一步提升。