基于ROS 系統的室內移動機器人研究與設計*

蘇博妮

（四川文理學院智能制造學院 達州 635000）

1 引言

機器人是一種融合多傳感器和智能優化算法的智能機械裝置。自20 世紀世界上第一臺機器人誕生以來，機器人不僅在工業和農業生產中發揮了重要作用，而且逐漸走進了人們的日常生活。機器人技術推動了新一輪制造業革命，成為產業轉型升級的重要技術支撐。世界上主要發達國家，包括美國、歐盟和日本，紛紛制定相關政策支持機器人產業發展［1～5］。1972 年美國SRI 人工智能中心研發了能感知周圍環境，并進行路徑規劃的Shakey移動機器人；美國2004 年發射的機遇號火星探測車在火星表面漫游了13 年后仍在執行任務。美國波士頓動力公司為美國軍方研制的大狗機器人采用液壓系統，可攜帶重量超過150kg 的負載，可以幫助士兵在戰場上搬運物資。俄勒岡州立大學Jessy Griz?zle實驗室研發的機器人Cassie具有嬌小的軀干，雙腿可以在崎嶇的山路上行走和慢跑。中國科學院沈陽自動化所開發的履腿式非結構環境移動機器人具有良好的環境適應能力，可以在斜坡上行走，還可以越障、跨溝和上下臺階。

移動機器人是機器人中的一個重要分支，它擺脫了傳統固定位置機器人線纜的約束，具有自由移動的能力，可以在較大的區間內工作，具有較高的靈活性，但也同時帶來了復雜的問題和挑戰。ROS系統是一款開源的機器人操作系統，已得到了工業界和學術界的廣泛研究和應用。文獻［1］在ROS系統中采用慣性和視覺里程計融合的方法提高了機器人室內定位精度。文獻［2］開發的基于ROS系統的奶油裱花機器人系統包括示教裝置、六軸機械臂和上位機等部分。文獻［3］提出了一種可現場模塊化重構和組裝排爆機器人系統架構，軟件系統基于ROS 平臺實現，硬件系統采用模塊化設計，該機器人在實際工作中表現較好的魯棒性和自適應型。文獻［4］設計的Win-ROS 服務機器人具有語音識別、人臉識別和自主導航和路徑規劃等功能，可為公共場所提供各類導覽服務。文獻［5］基于ROS環境下的MoveIt、Rviz、OMPL 和rqt_plot 等工具和算法，研究了等離子切割板坯毛刺運動軌跡規劃問題。文獻［6］給出了一種移動機器人控制系統方案，采用ROS 完成同時定位和地圖構建，FreeRTOS實現運動狀態控制。文獻［7～9］基于ROS 系統，分別對室內巡檢機器人、嵌入式機器人和機器人仿真方法進行了研究。文獻［10］采用開源ROS 系統開發了一套機器人離線編程系統，有效提高了UR 機器人應用開發編程效率。

自主導航是移動機器人可否完成室內自主移動的關鍵問題。本文對ROS系統及其特點、移動機器人系統架構、自主導航問題進行了研究，并通過實驗和測試驗證了該研究的有效性。本文可為后續開發室內移動機器人提供理論參考。

2 ROS系統概述

Robot Operating System 機器人操作系統（簡稱ROS）起源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室的STAIR項目，2008年由Willow Garage公司接收和推廣，2013 年以后由開源機器人基金會OSPF 接管。ROS 自發布以來，至今已經走過12 個年頭。ROS并不是完全意義上的操作系統，而是運行在Linux系統之上的用于開發機器人程序的軟件框架。它為開發者提供了機器人軟硬件開發的各種軟件包和應用程序接口。ROS遵循BSD協議，是一個完全免費開源的系統，任何組織和個人都可以從其官網下載和使用和修改，甚至用于商業用途。它宣揚的理念是減少機器人開發者重復造輪子，而是將通用的功能以包和庫的形式提供給用戶，提高代碼的復用率，讓開發者們更加聚焦在自己要完成的領域問題上。正是由于ROS 所倡導的免費開源和共享的精神，吸引了大量來自不同國家的個人、科研機構和高校加入ROS 開發，據其ROS 官網統計顯示，目前已有2000 多個開源工具包發布。開源機器人基金會OSPF于2012年5月在美國明尼蘇達州的圣保羅市舉辦第一屆ROS 開發者大會ROSCon，現已成功舉辦八屆，該會議已成為ROS 開發者的盛會。ROS 系統目前已被廣泛地應用在各類機器人系統當中。如PR2 和TurtleBot。從移動機器人到工業機器人，從無人駕駛汽車到無人飛行器都可以ROS的影子，ROS 系統已成為機器人通用平臺，被稱之為機器人界的“Linux”［11～12］。

3 移動機器人設計

3.1 移動機器人系統框架

本文設計的移動機器人由機器人本體部分和遠程控制端兩部分組成，遠程控制端為PC 機和智能手機，遠程控制端和移動機器人通過Wi-Fi 連接，PC 機和樹莓派上需安裝Ubuntu 系統和ROS 系統，智能手機端安裝開發的控制APP，圖1 為本文所設計的移動機器人系統框架圖。

圖1 移動機器人系統框架

移動機器人本體包括執行、驅動、控制和感知4 個模塊。執行機構采用履帶式底盤，驅動裝置包括兩個大扭矩電機及其驅動電路。感知系統包括高清攝像頭、激光雷達和陀螺儀。控制系統包括樹莓派主控板和STM32驅動板。

3.2 移動機器人硬件設計

考慮到室內環境的場景需求和電池的續航能力，本文設計的移動機器人選用通過性和穩定性較好的履帶式底盤。移動機器人硬件分為上下三層：第一層安裝攝像頭和其它設備，第二層為激光雷達和液晶顯示屏，第三層安裝樹莓派主板和STM32驅動板，如圖2 所示。移動機器人硬件主要包括樹莓派主控板、STM32 驅動板、履帶式底盤、電機、攝像頭、激光雷達、陀螺儀、液晶顯示屏、鋰電池和SD存儲卡。

移動機器人采用履帶式底盤作為移動部件，通過兩個大扭矩自帶編碼器電機驅動，底盤采用STM32 驅動板控制。STM32 驅動板接收來自樹莓派主控板的指令，并轉換成PWM 信號給電機驅動板，控制電機轉動以使機器人移動到指定位置。主控板和驅動板之間采用串口連接。激光雷達用于機器人地圖構建和導航。IMU 陀螺儀用來獲取機器人位姿。高清攝像頭主要用來尋跡和目標識別。數碼管可以顯示當前電池的電壓值。液晶顯示屏用來與用戶進行交互。

圖2 移動機器人實物圖

表1 主要硬件型號及參數

3.3 移動機器人軟件設計

移動機器人軟件是在Ubuntu16.04和ROS系統框架下，利用常用的工具和功能包設計實現的，主要功能包括SLAM 建圖和導航、攝像頭巡線和雷達跟蹤等。如圖3 所示，其中，激光雷達節點發布雷達數據，IMU 節點獲取機器人的位姿信息，里程計節點接收IMU節點和STM32節點提供的信息，Base節點接收路徑規劃節點發布的路徑規劃命令，控制機器人運動的方向和速度，攝像頭節點用于捕獲視頻數據，SLAM 節點用于接收激光雷達發布的數據和里程計發布的數據，并進行構建地圖和即時定位；路徑規劃節點利用機器人在地圖中的位置、速度和位置等信息，在已經構建好的地圖中選擇一條最短路徑，建圖和路徑規劃都可在Rviz工具中可視化的展現出來。

圖3 移動機器人運行節點

4 移動機器人自主導航功能

移動機器人在室內巡檢、生活服務、陪護和清潔等方面有著非常巨大的市場需求，自主導航功能是移動機器人最為核心的功能。自主導航包括定位、構建地圖和路徑規劃。定位是指確定機器人所在空間的位置和航向［13］。構建地圖是指移動機器人在未知環境下運用各種傳感器信息構建工作環境地圖，描述移動機器人的工作環境，用于移動機器人定位和路徑規劃［14］。路徑規劃是指機器人利用自身傳感器感知外界環境得到的數據，自行規劃出一條從起始點到目標點并且滿足某種性能標準的無碰撞的最優路徑［15］。

ROS系統中提供了move_base、gmapping和am?cl三個功能包用于機器人導航。其中move_base 包實現移動機器人的路徑規劃，gmapping 包利用激光雷達或深度攝像頭構建柵格地圖。amcl 包利用自適應蒙特卡羅定位方法，對建立的地圖使用粒子濾波方法估計機器人位姿。

運行以下命令測試效果：

1）啟動機器人，在PC機遠程登錄機器人：

roslaunch homerobot bringup.launch //運行底盤節點

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_key?board.py //鍵盤控制機器人

roslaunch homerobot camera.launch //啟動攝像頭

2）構建地圖，利用Rviz工具實時查看

roslaunch homerobot lidar_slam //雷達建圖

3）導航，利用Rviz工具手動選取目標點

roslaunch homerobot navigate.launch

在PC 機上運行程序，利用鍵盤控制機器人在室內移動一圈，完成地圖構建，然后在Rviz 可視化工具中，手動指定目標點，移動機器人可以躲開障礙物移動到目的地，效果較好，如圖4所示。

圖4 移動機器人構建室內地圖

5 結語

本文以ROS系統、樹莓派3B+主控板和激光雷達傳感器為主要元件構建了一套室內移動機器人系統。系統分為遠程控制端和機器人本體兩部分，遠程控制端為PC 機和智能手機可通過WiFi 遙控機器人在室內移動；機器人本體以樹莓派作為主控板，STM32 驅動板控制機器人底盤。同時利用move_base、gmaping和amcl工具包完成了移動機器人的定位、建圖和導航功能，從實驗結果看，本文設計的移動機器人可滿足室內服務需要。本研究下一步工作是結合視覺和機械臂進行物體識別和抓取。