Hawking模塊化中型機器人

西北工業大學

褚 原，張春雨，喻世霖，盧軍汀，張鈳翊

1 作品簡介

近年來，機器人與人工智能技術、先進制造技術和移動互聯網技術的融合發展，推動了國民生活方式的不斷改變，智能機器人逐漸走入人們的日常生活，在醫療、運輸、教育等方面發揮著越來越重要的作用。我們團隊基于時代發展與市場需求，開發了Hawking模塊化中型機器人。不同于傳統的通用型機器人，模塊化設計增強了機器人的可擴展性和多功能性，用戶可根據需要進行簡單的拆卸安裝更換機器人的使用功能，解決了機器人功能單一等問題。

Hawking模塊化中型機器人具有自主導航無人消毒車、全自主無人物流運輸車和自主空氣凈化車功能模塊，可用于辦公室、醫院、餐廳等場所的日常消毒、物品運送和空氣凈化。

2 技術原理

產品以四輪自主全向平臺為基礎，采用模塊化處理，搭載消毒霧化器、消毒紫外燈模塊或多層貨物架模塊，實現無人區域的消毒或貨物運輸。該機器人裝配有激光雷達進行導航，可實現精準的點對點存取、搬運，以及大體積運輸，還可按照規劃的路線對室內消毒。該中型機器人基于ROS機器人操作系統開發，采用2D激光SLAM算法cartographer進行實時定位建圖，采用基于A*算法和DWA算法進行全局和局部路徑規劃，實現點到點自主導航。產品器件包括全向輪、電機、驅動器、控制器、擊球桿、擊球板、氣缸、電磁鐵等。

硬件采用上、下位機結合的控制方式：上位機使用計算機平臺，基于Qt開發平臺實現對目標物的識別，并控制機器人動作；下位機使用STM32F1單片機，采用PID控制算法計算當前的行進角度，引入負反饋閉環控制，減小與初始行進角度的誤差。利用CAN通信協議對電機進行控制。系統電路板利用Altium Designer軟件設計：電路板采用模塊化設計，既可以很好地保證系統穩定性，還能在出現問題時快速查明原因。硬件主要包括電源管理模塊、通信模塊、核心控制模塊、擴展模塊。

3 項目創新點

本產品的創新點在于硬件采用模塊化設計，實現“1+N”功能，即一個通用的Hawking中型機器人底盤可以安裝消毒套件、運輸套件等模塊。通過簡單拆卸即可快速更換功能模塊，實現一車多用。產品軟件采用平臺式設計，以ROS機器人操作系統為基礎進行開發，充分利用ROS的可擴展性和多模塊性，通過對各功能模塊的功能包進行開發、封裝，可直接加入已有軟件系統，方便用戶進行新功能軟件的擴展。

2D激光SLAM算法基于開源算法框架cartographer，精度較高，成本較低。相比gmapping算法，該算法不依賴里程計信息；相比hector_slam算法，該算法不依賴激光雷達。團隊將基于模型的方法和基于線性的方法結合，應用于激光數據預處理階段的里程計標定，提高了數據質量與slam算法的精度。

建立機器人底盤傳遞函數，對系統響應做出精確控制，同時在里程計中將姿態融合濾波后的信息加入系統的反饋中，利用卡爾曼濾波對機器人的位置和速度進行遞推估計，減少打滑、碰撞等原因造成的姿態估計誤差。在同等控制指令下，本輪式平臺擁有更好的動態響應能力和更小的靜態誤差，在協助激光雷達進行定位和動態位置估計方面有著更好的表現。

產品的正交四輪結構承重性好，誤差可控，底盤穩定性高。使用高精度6軸陀螺儀與里程計融合，與傳統僅依靠激光雷達或者利用視覺信息進行定位建圖相比，能夠提高地圖精度。

大容量鋰電池相比柴油發電機和鉛蓄電池污染小，單次服務面積大，高能量密度顯著提高了續航時間，充電快，易拆卸。

產品智能化噴灑控制系統能夠提高藥液利用率，根據工作環境復雜度、噴灑面積的不同，智能調整噴灑時間和霧化器功率，在保證消毒效果的同時降低損耗。