一種基于ROS系統的智能家政機器人的研究

陸瀚元 李軍紅 劉景祺 周宇呈 賴建帆 鄧學智

摘要：隨著科技的飛速發展，機器人在人們的生產生活中是常見的，同樣在家政服務行業機器人的研究也很深入。目前，市場上的家政服務機器人功能較為基礎，且傳感器的種類較為單一。基于此，本文提出了一款基于ROS操作系統的家政智能服務機器人，本機器人配有激光雷達和opencv深度攝像頭等傳感器，本機器人的操作系統是樹莓派主控板結合STM32單片機，同時配有機械臂和吸塵風扇等，在做到清潔灰塵的同時，能對一些垃圾進行識別并且撿取，有效為人們提供服務。

關鍵詞：ROS;激光雷達;opencv深度攝像頭;樹莓派;STM32單片機

0引言

在經濟和科技高速發展的今天，隨著機器人性能的不斷提高，移動機器人應用范圍逐漸擴大。它不僅廣泛被應用于工業、農業、醫療、服務等行業，還不斷地小型化、居家化、輕量化和物聯互聯化，逐漸走入普通消費者市場。現如今，為了提高人們生活的舒適度，家政機器人的興起為改善人們的家庭居住條件提供的有力的幫助。

1研究背景

家政機器人的相關概念2002年前后被提出，當時iRobot公司發布了Roomba真空保潔機器人，這款造型類似飛盤的產品售出了600多萬臺。可以說Roomba真空保潔機器人為當下的掃地機器人等家政機器人的出現和發展奠定了基礎框架。直到2010年后，隨著各種高精度算法與傳感器的產業化，加之微型處理器的性能的迅速提升，使得家政機器人的發展速度迅速提高，形成了“產品更新+迭代”的產業模式。并且隨著互聯網與物聯網相關產業的發展，家政機器人在公眾面前的曝光度越高，以及產品的使用門檻逐漸降低，家政機器人的發展勢頭依然強勁。

2環境地圖構建與系統識別

2.1基于柵格法的環境地圖構建

對移動機器人的工作環境進行高精度的感知和建模，是有利于移動機器人在工作環境中實現自主工作。本研究使用激光雷達作為采集環境信息和識別障礙物的傳感器，但是由于激光雷達傳感器在工作期間測量得到的數據會受到噪聲的影響，為了解決這一問題，可以引入占據率（Occupancy）概念。在柵格地圖中，用P這個點表示占有狀態的概率，存在兩種情況：第一種是有障礙物的狀態P（s=1）;另一種是空閑的狀態P（s=0）。因為存在數據的多樣性，所以使用兩個概率的比值Odd（s）作為該點的狀態，即：

由上式（1.1）可以看出，Odd（s）的值越大，表示柵格占據率越大，即有障礙物的柵格更多。

2.2 OpenCV攝像頭系統識別研究

OpenCV是一個基于Apache2.0許可（開源）發行的跨平臺計算機視覺和機器學習軟件庫，可以運行在Linux、Windows、Android和Mac OS操作系統上。它輕量級而且高效——由一系列 C 函數和少量 C++類構成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實現了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。

OpenCV用C++語言編寫，它的主要接口也是C++語言，但是依然保留了大量的C語言接口。該庫也有大量的Python、Java and MATLAB/OCTAVE的接口。這些語言的API接口函數可以通過在線文檔獲得。如今也提供對于C#、Ch、Ruby的支持。

3路徑規劃

移動機器人在進行移動的時候，光是有導航定位是遠遠不夠的，從起點到達終點這個過程需要規劃好一個好的路徑，它可以有效的幫助機器人減少在路徑上可能消耗的資源，讓機器人能夠安全穩定的到達目的地。但是環境狀況出現一定的變化的話，機器人并不能對環境進行相對于的調整，是一種離線式的路徑規劃方法。

A*算法能夠保證找到一條最短路徑，該算法可以在狀態空間中對可行位置進行評估，從而得到最優的位置，再如此反復，以此下去直到搜索到目標地點。這樣來說可以節省大量的無謂的搜索路徑，提高了效率。A*算法的評價函數如下所示：

f（n）=g（n）+h（n）（3.2）

在公式（3.2）中，f（n）代表移動機器人起始位置到目標位置綜合預估的軌跡數值，g（n）代表起始位置到機器人所在位置的移動距離，h（n）代表當節點到目標位置行走行走距離簡單的數值。

4實驗結果與分析

首先通過移動機器人建立局部地圖，局部地圖的建立只需要讓移動機器人在某一點進行激光雷達掃描。其中，灰白色代表已知的安全區域，深綠色則代表未知的地圖，黑色代表掃描到的障礙物，紅色的點云代表實時掃描到的障礙物。

對移動機器人進行控制使其進行移動多方位移動，并且在移動過程中還要伴隨著不斷地激光雷達掃描環境，掃描出來的全局地圖如圖6（a）所示：

由圖6（a）可以看出，灰白色則代表移動機器人所掃描到的全局區域，對比圖6（b）可知，激光雷達建圖與真實實驗室環境吻合。其中灰白色區域中黑色的區域則代表障礙物（即桌椅等物品），故機器人在移動過程中需要避開黑色區域。

5結語

近年來，隨著我國的經濟實力發展，以及人民群眾對美好生活的向往，家政機器人已經成為智能家居中的熱門種類。只需在客戶端上發出指令，就可以完成家中的打掃。而且在未來的智能化的潮流趨勢下，移動機器人必然會成為解放人們雙手的主要選擇。038C597C-F774-40C1-9DC1-F6FE2E5B0876