基于ROS的探测机器人控制系统设计*

任世轩，于宗鑫

(长安大学，陕西 西安 710064)

0 引 言

2020年机器人工业应用已经来到了第61个年头，自1956年乔治·德沃尔(George Devol)和约瑟夫·英格伯格(Joseph Engelberger)开发出第一台工业机器人起，人们开始逐步将机器人应用到各个领域中[1]。现如今，在计算机科学、控制技术、传感器技术和人工智能算法的迅猛发展下，机器人与人工智能的发展必定像滚滚巨浪一般席卷而来，再次为人类生产技术和社会生活带来一次全新的、全方位的革命[2]。

2020年ROS操作系统同样也迎来了他的十二岁生日，ROS系统的起源是2007年斯坦福大学人工智能实验室与机器人技术公司Willow Garage的合作项目——斯坦福人工智能机器人项目the STAIR(Stanford Artificial Intelligence Robot) project[3]2008年之后由Willow Garage来进行推动。随着PR2那些不可思议的表现，譬如叠衣服，插插座，做早饭，ROS也得到越来越多的关注。Willow Garage公司也表示希望借助开源的力量使PR2变成“全能”机器人[4]。

ROS是一个适用于机器人的开源的元操作系统[5]。它提供了操作系统应有的服务，包括硬件抽象，底层设备控制，常用函数的实现，进程间消息传递，以及包管理。它也提供用于获取、编译、编写、和跨计算机运行代码所需的工具和库函数[6]。在某些方面ROS相当于一种“机器人框架”(robot frameworks)。ROS的核心是分布式网络，基于TCP/IP的通信方式，实现模块点对点的松耦合连接[7]。

笔者重点介绍一种基于ROS的探测机器人控制系统设计方案，通过此机器人达到对室内外场景进行探测的目的，具有模块化程度高，可移植性、可拓展性强的特点，通过模块化设计方法使其适用于不同场景的探测。

1 洞窟探测机器人控制系统设计

机器人采用树莓派4B作为上位机，使用Ubuntu18.04操作系统，系统内使用ROSmelodic作为控制平台。树莓派上连接LED显示屏幕、键盘、鼠标等外设，通过USB接口连接单线激光雷达、双目摄像头和STM32单片机。

在局域网无线信号无法覆盖的地域进行测试时，使用树莓作为控制节点；在局域网无线信号可以通讯的地域进行测试时，可以使用PC通过局域网使用ssh服务对树莓派及下位机进行控制。

单线激光雷达负责地图的构建、双目摄像头负责对场景进行深度信息扫描。树莓派上位机通过USB串口与 CH340芯片相连，转为RS232接口与STM单片机相连，实现上下位机的通信与控制。STM32单片机通过电机驱动器的PWM信号控制左右车轮的转速，实现两轮差分驱动。电机再通过编码器反馈当前码值给下位机，实现速度闭环控制。整车硬件系统架构如图1所示。

图1 探测机器人硬件架构

2 洞窟探测机器人软件系统设计

上位机树莓派内使用Ubuntu内ROS元系统搭建。IMU、STM32电机模块、均通过USB串口实现通信，通过ROS内部的相应节点实现数据上传，再通过位置积分、二次滤波、传感器信息融合姿态估算和概率定位，软件架构如图2所示。

图2 然侧机器人软件架构图

IMU获取的数据并非稳定的，其波动性较强，且会因为装配误差产生零点漂移，初始位姿的误差会在积分运算过程中产生更大的误差，所以在IMU采集到原始数据后需要先使用最小二乘法进行IMU零点误差的消除，之后使用madgwick算法将三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计的数据进行融合，之后使用扩展卡尔曼滤波和蒙特卡洛实现自身定位。通过一系列坐标转换完成地图建立和导航。

3 地图构建实验

使用该机器人搭载上海思岚公司设计的RPLIDARA1建立室内栅格地图，由于另外一间房屋过于狭小，本次测试仅使用屋内两个房间作为测试场地室内实际环境如图3。使用catographer算法建立栅格地图效果如图4，实验效果良好。

图3 室内环境实景图4 室内栅格地图

使用该机器人搭载小觅双目相机使用rtab-map方法对室外进行院落进行视觉建图如图5、6所示。中间黑色区域为住宅楼体，灰色部分为环绕住宅楼的道路。

图5 室外视觉三维地图 图6 室外视觉三维地图(俯视图)

4 结 语

使用基于ROS的控制系统开发方案可以迅速便捷的开发出机器人平台，且可拓展性强，其上可以搭载多种外设。经试验，此平台适用于简单的室内、室外探测场景，可作为SLAM建图设备的底层行驶平台，且具备较强的可拓展性。