基于ROS的自主移動服務機器人系統框架設計

文/孟清 斯琴高娃

1 自主移動服務機器人

1.1 背景及意義

伴隨著人工智能技術的不斷發展，智能終端、大數據、云計算和機器人等各項技術得到突破性進展。如今，越來越多的自主移動服務機器人具備視覺跟隨、自主巡航和語音交互等新型控制方式，人機交互方式愈來愈人性化，已經被廣泛地應用到生產或生活的各領域，給社會帶來了極大的經濟效益和社會效益，受到人們的廣泛關注。

隨著娛樂機器人、陪伴機器人和運貨機器人等各類服務機器人不斷出現，不同類型的機器人編寫控制程序這一工作變得越來越繁重。主要是由于不同類型的機器人設計方案不同,底層各種接口也大不盡相同，但是不管何種類型的機器人其基本算法和控制機制是一致的，因此設計一種易于擴展的自主移動服務機器人系統框架，具有極為重要的現實意義。

1.2 相關技術及介紹

1.2.1 ROS機器人軟件平臺

ROS(Robot Operating System）是一個機器人軟件平臺，其前身是斯坦福人工智能實驗室為了支持斯坦福智能機器人STAIR而建立的交換庭(switchyard）項目，它是一種分布式模塊化的開源軟件框架, 提供一些標準操作系統服務。其目的在于提高軟件代碼的復用率,基本服務包括硬件抽象，底層設備控制，進程間消息以及數據包管理等常用功能，很好的解決了機器人控制程序開發過程中代碼冗余、移植性差等問題。

目前ROS主要支持Ubuntu。ROS可以分成兩層，底層是操作系統層，實現上面所述基本服務功能。高層則是應用層，為廣大用戶群貢獻的實現不同功能的各種軟件包，例如定位繪圖，行動規劃，感知和模擬功能包等等。

2 三層體系架構

2.1 總體結構

本系統結構為滿足自主移動服務機器人人機交互、數據處理和移動避障等等各種通用功能，基于處理器的不同運算能力，設計了一種易于擴展的三層結構的機器人系統框架。人機交互前端層采用具備簡單運算能力的普通平板電腦，負責人機交互，包括語音、視頻、圖片和文字信息交互，接受和反饋系統信息；核心中間層采用具備較強運算能力的小型電腦，安裝Ubuntu系統并搭建ROS機器人軟件平臺,負責機器人算法計算；硬件驅動底層采用較低運算能力的STM32控制器,通過程序設計，主要負責傳感器數據采集、硬件驅動和機器人開關機等任務。

基于以上系統結構，在實際設計時，可以根據自主移動服務機器人的應用場景進行擴充。比如通過添加攝像頭得到周圍的圖像數據，傳輸到核心中間層采用較高運算能力的小型電腦進行分析，并可以完成地圖構建、尋跡和避障等復雜計算功能。同時還可在根據用戶需求,由簡單運算能力的普通平板電腦完成視頻監控、傳感器數據監控、人臉識別、機器人控制等前端功能,實現易于擴展的自主移動服務機器人的平臺。基于三層結構的自主移動服務機器人系統框架見圖1。

2.2 人機交互前端層

該系統結構的最前端是人機交互平臺，由普通平板電腦、高清攝像頭、觸摸傳感器、聲音收集和播放等設備構成；普通平板電腦主要負責人機交互，包括人臉識別、語音交流以及觸摸界面文字圖片等功能實現數據收集和呈現，并通過Wi-Fi與云端服務器、核心中間層進行數據交換。

2.3 核心中間層

核心中間層主要是由一臺較強運算能力的小型電腦（迷你PC）組成，是自主移動機器人的策略中心，數據處理和算法核心都在該PC上實現。通過基于ROS的程序設計,完成傳感器數據預處理與信息融合、地圖構建、自主移動機器人的運動控制和避障算法、各類串口數據接收與解析、數據打包與串口發送等功能。該PC上安裝Ubuntu系統并搭建ROS機器人軟件平臺，并通過Wi-Fi與云服務器、人機交互前端層的普通平板電腦進行數據交換。

圖1：自主移動服務機器人系統框架

2.4 硬件驅動底層

硬件驅動底層為自主移動機器人的執行單元，包含了底層STM32控制器、電機及其驅動控制器和傳感器等其他硬件驅動。控制器STM32通過程序設計，主要實現機器人開關機、電機控制驅動、利用機器人中各中傳感器驅動程序完成數據收集等功能。

4 結束語

人工智能是引領未來的戰略性技術，目前我國正在加緊出臺規劃和政策，圍繞核心技術、頂尖人才、標準規范等強化部署，力圖在新一輪國際科技競爭中掌握主導權。繼2017年7月國務院發布《新一代人工智能發展規劃的通知》后，2018年4月教育部發布《高等學校人工智能創新行動計劃》，也就是說在未來十年內，“信息技術”必然被“人工智能技術”所取代。目前，具備視覺跟隨、自主巡航和語音交互等新型控制方式的自主移動服務機器人應用越來越廣泛，本文設計的易于擴展的三層自主移動服務機器人系統框架，為自主移動服務機器人的應用發展，具有極為重要的現實意義。