淺談基于ROS的送餐服務(wù)機器人

張博 趙慧 馬業(yè)林 孫文匯

摘 要 隨著科技發(fā)展水平的提高，服務(wù)機器人有了更快的發(fā)展，并開始廣泛應(yīng)用餐飲、酒店、商場等商業(yè)領(lǐng)域。服務(wù)機器人在機器人市場的需求日益高漲，成為未來機器人發(fā)展的一個重要方向。基于ROS系統(tǒng)的送餐服務(wù)機器人主要包含了四項技術(shù)，分別為：自主移動技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)、底盤技術(shù)、智能芯片技術(shù)。針對ROS系統(tǒng)進行開發(fā)，通過SLAM技術(shù)，對自身攜帶的編碼電機和激光雷達來對自身進行定位，并在定位的基礎(chǔ)上構(gòu)建環(huán)境地圖，解決機器人在未知環(huán)境中運行時即時定位與地圖構(gòu)建的問題。

關(guān)鍵詞 ROS;SLAM技術(shù);編碼電機;激光雷達

民以食為天，在激烈競爭的餐飲市場下，如何令自己的餐廳立于不敗之地，樹立自己的餐飲品牌，走出一條成功之路，智能機器人和餐廳的有機結(jié)合為餐廳開創(chuàng)了一個新的創(chuàng)新點，隨著社會的發(fā)展，經(jīng)濟生活的改變，很多客人的聚餐都會在餐廳進行，這必然就會加劇服務(wù)人員的使用量，特別是在用餐高峰期，客流量會變得更多，這時，如果采用智能機器人替換或替換部分服務(wù)人員，既可以減輕服務(wù)員的勞動強度，增加餐廳非就餐高峰期客流量，還可以合理調(diào)配餐廳的資源，提升餐廳的科技形象，制造品牌效應(yīng)，吸引更多客戶，具有較高的經(jīng)濟價值。

1ROS操作系統(tǒng)

21世紀開始，關(guān)于人工智能的研究進入了大發(fā)展階段，包括全方位的具體的AI，例如斯坦福大學(xué)人工智能實驗室STAIR（Stanford Artificial Intelligence Robot）項目，該項目組創(chuàng)建了靈活的、動態(tài)的軟件系統(tǒng)的原型，用于機器人技術(shù)。在2007年，機器人公司W(wǎng)illow Garage和該項目組合作，他們十分具有前瞻性的，提供了大量資源進一步擴展了這些概念，經(jīng)過具體的研究測試實現(xiàn)之后，無數(shù)的研究人員將他們的專業(yè)性研究貢獻到ROS核心概念和其基礎(chǔ)軟件包，這期間積累了眾多的科學(xué)研究成果。ROS軟件的開發(fā)自始至終采用開放的BSD協(xié)議，在機器人技術(shù)研究領(lǐng)域逐漸成為一個被廣泛使用的平臺。

隨著技術(shù)進步，機器人產(chǎn)業(yè)分工開始走向細致化、多層次化，像如今的電機、底盤、激光雷達、攝像頭、機械臂等等元器件都有不同廠家專門生產(chǎn)。社會的分工加速了機器人行業(yè)的迅速發(fā)展發(fā)展。而各個部件的集成就需要一個統(tǒng)一的軟件平臺，在機器人領(lǐng)域，這個平臺就是機器人操作系統(tǒng)ROS。ROS是一個適用于機器人編程的框架，這個框架把原本松散的零部件耦合在了一起，為他們提供了通信架構(gòu)。ROS雖然叫作操作系統(tǒng)，但并非Windows、Mac那樣通常意義的操作系統(tǒng)，它只是連接了操作系統(tǒng)和你開發(fā)的ROS應(yīng)用程序，所以它也算是一個中間件，基于ROS的應(yīng)用程序之間建立起了溝通的橋梁，所以也是運行在Linux上的運行時環(huán)境，在這個環(huán)境基礎(chǔ)上，機器人的感知、決策、控制算法可以更好地組織和運行。此外，ROS支持多種編程語言。C++、Pyhton和已經(jīng)在ROS中實現(xiàn)編譯，是目前應(yīng)用最廣的ROS開發(fā)語言。為了支持多語言編程，ROS采用了一種語言中立的接口定義語言來實現(xiàn)各模塊之間消息傳送。通俗的理解就是，ROS的通信格式和用哪種編程語言來寫無關(guān)，它使用的是自身定義的一套通信接口[1]

2SLAM算法解析

2.1 SLAM框架說明

SLAM系統(tǒng)框架一般分為五個模塊，包括傳感器數(shù)據(jù)、視覺里程計、后端、建圖及回環(huán)檢測。

傳感器數(shù)據(jù)：主要用于采集實際環(huán)境中的各類型原始數(shù)據(jù)。包括激光掃描數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)等。

視覺里程計：主要用于不同時刻間移動目標相對位置的估算。包括特征匹配、直接配準等算法的應(yīng)用。

后端：主要用于優(yōu)化視覺里程計帶來的累計誤差。包括濾波器、圖優(yōu)化等算法應(yīng)用。

建圖：用于三維地圖構(gòu)建。

回環(huán)檢測：主要用于空間累積誤差消除。

其工作流程大致為：

傳感器讀取數(shù)據(jù)后，視覺里程計估計兩個時刻的相對運動（Ego-motion），后端處理視覺里程計估計結(jié)果的累積誤差，建圖則根據(jù)前端與后端得到的運動軌跡來建立地圖，回環(huán)檢測則考慮了同一場景不同時刻的圖像，提供了空間上約束來消除累積誤差。

2.2 激光SLAM

本項目用到了目前相對來說更為成熟的激光雷達SLAM，采用思嵐激光雷達PRLIDAR A1，激光SLAM采用2D或3D激光雷達（也叫單線或多線激光雷達），2D激光雷達一般用于室內(nèi)機器人上（如掃地機器人），而3D激光雷達一般使用于無人駕駛領(lǐng)域。激光雷達的出現(xiàn)和普及使得測量更快更準，信息更豐富。激光雷達采集到的物體信息呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準確角度和距離信息的點，被稱為點云。通常，激光SLAM系統(tǒng)通過對不同時刻兩片點云的匹配與比對，計算激光雷達相對運動的距離和姿態(tài)的改變，也就完成了對機器人自身的定位。

激光雷達測距比較準確，誤差模型簡單，在強光直射以外的環(huán)境中運行穩(wěn)定，點云的處理也比較容易。同時，點云信息本身包含直接的幾何關(guān)系，使得機器人的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航變得直觀。

3系統(tǒng)控制原理

本體中包含嵌入式系統(tǒng)，和上位機部分。嵌入式系統(tǒng)采用Arduino MEGA2560 R3作為機器人下位機負責驅(qū)動電機和傳送里程計信息。上位機則采用樹莓派來進行全局控制。下位機獲取到的編碼信息和里程計信息通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給樹莓派，樹莓派通過接收到的信息配合激光雷達掃描得到的信息可以對自身進行定位，并且在定位的基礎(chǔ)上構(gòu)建3D環(huán)境圖，解決機器人在未知環(huán)境中的定位和地圖構(gòu)建，再由上位機對下位機發(fā)送指令，實現(xiàn)對底盤的控制。

3.1 里程計信息的采集與發(fā)布

機器人系統(tǒng)中存在base_controller節(jié)點，其中base_controller節(jié)點將訂閱的cmd_vel信息通過串口或其他通信接口發(fā)送給下位機（Arduino）。下位機中根據(jù)公式進行解算，將機器人速度轉(zhuǎn)換為每個輪子的速度，然后通過CAN總線將每個輪子的轉(zhuǎn)速發(fā)送給電機驅(qū)動板控制編碼電機轉(zhuǎn)動。電機驅(qū)動板對電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制（PID控制），并統(tǒng)計單位時間內(nèi)接收到的編碼器脈沖數(shù)，計算出輪子轉(zhuǎn)速。

base_controller節(jié)點將接收到的cmd_vel速度信息轉(zhuǎn)換為自定義的結(jié)構(gòu)體類型的數(shù)據(jù)（自定義的數(shù)據(jù)類型中可以包含校驗碼等其他信息），并通過串口發(fā)送控制速度信息（speed_buf）或讀取機器人傳回的速度信息 （speed_buf_rev）。base_controller節(jié)點正確讀取到底層（Arduino）傳回的速度后進行積分，計算出機器人的估計位置和姿態(tài)，并將里程計信息和tf變換發(fā)布出去。

3.2 串口通信

本系統(tǒng)主要采用串口通信的方式傳輸數(shù)據(jù)，通過安裝rosserial_arduino包以實現(xiàn)ROS與Arduino板之間的串口通信，rosserial_arduino包以后，你可以在Arduino IDE中直接使用ROS，rosserial_arduino提供了ros的通信協(xié)議，它可以在Arduino的UART上工作。它可以使Arduino成為一個完整的ROS節(jié)點，直接發(fā)布和訂閱ROS消息，發(fā)布TF轉(zhuǎn)換，并獲得ROS系統(tǒng)時間。

完成串口通信后，便可以實現(xiàn)上位機指令的發(fā)送和對下位機數(shù)據(jù)的接收。

3.3 核心控制設(shè)備

本系統(tǒng)采用的核心控制設(shè)備為樹莓派，樹莓派預(yù)裝Linux系統(tǒng)，體積小，搭載ARM架構(gòu)處理器。樹莓派包括40個GPIO口，可以通過它們輸出高（低）電平或者通過它們讀入引腳的狀態(tài)。本項目通過UART串口實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互。

樹莓派RXD端與Arduino板TXD端相連接，通過串口接收Arduino板和激光雷達返回的數(shù)據(jù)。設(shè)計程序發(fā)送指令給小車控制平臺。

3.4 小車控制平臺

小車控制平臺采用Arduino MEGA2560 R3來實現(xiàn)對小車的控制，編碼器1的HoutA和HoutB接Arduino mega2560的pin2和pin3，對應(yīng)的中斷號是0和1，編碼器2的HoutA和HoutB接 Arduino mega2560的pin19和pin18，對應(yīng)的中斷號是4和5，L298N的ENA接Arduino mega 2560的pin5，L298N的ENB接Arduino mega 2560的pin6，IN1和IN2接Arduino mega 2560的pin7和pin8，IN3和IN4接Arduino mega 2560的pin9和pin10，通過IN1和IN2控制電機1轉(zhuǎn)動方向（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）， 通過ENA控制其的轉(zhuǎn)速;通過IN3和IN4控制電機2轉(zhuǎn)動方向（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）， 通過ENB控制其的轉(zhuǎn)速。

4結(jié)束語

隨著中國國力的不斷增強，實力不斷提升，國家也越來越重視在科技方面的發(fā)展，慢慢地，智能機器人也逐漸為我們所知。利用激光雷達對周圍環(huán)境實時建模是本系設(shè)計的一大亮點和創(chuàng)新點。送餐機器人的最終目的，是在幫助餐廳節(jié)約成本的同時，提高服務(wù)員的工作效率，讓他們更加專注在“服務(wù)”上面。送餐機器人在快速發(fā)展中，經(jīng)歷了數(shù)次的迭代更替，實用性也大大增強。商家愿意使用送餐機器人也將不再是所謂的“噱頭”，而是能夠?qū)嵈驅(qū)嵉亟档瓦\營成本，提升工作效率。

本設(shè)計基于ROS系統(tǒng)及Arduino的智能小車的控制系統(tǒng)，通過對編碼器和激光雷達數(shù)據(jù)的獲取，計算參數(shù)，達到對自身的定位以及實時建模，履帶式的底盤設(shè)計減少了在水面上打滑的可能，安全穩(wěn)定性高。在人流量高的餐廳里可以分散服務(wù)員的壓力，提升整體工作效率。

該機器人不僅可以實現(xiàn)送餐，因為其可以實時更新的環(huán)境建模特性與其對地面適應(yīng)性極強履帶式設(shè)計，可以實現(xiàn)在商場或者是工廠夜間巡邏的作用，使其廣泛應(yīng)用在生活當中，減少了人力，提高了生活質(zhì)量。

參考文獻

[1] 郭欣桐，戰(zhàn)藝.基于ROS的服務(wù)型機器人新型控制方式[J].電子世界，2016（11）：8-9.