文生平，黃培輝

（華南理工大學(xué) 聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心 聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

隨著“中國(guó)制造2025”的開(kāi)展，移動(dòng)機(jī)器人漸漸活躍在物流業(yè)、服務(wù)業(yè)、軍事、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域中[1]。伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，移動(dòng)機(jī)器人也得以蓬勃發(fā)展。

移動(dòng)機(jī)器人傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式主要是電磁導(dǎo)航、磁帶導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航等，其存在著靈活性差，易受干擾等不足。激光導(dǎo)航作為新型的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方式，具有高度靈活性，而且得益于激光信號(hào)精度高，速度快的特點(diǎn)，激光導(dǎo)航的抗干擾能力較強(qiáng)[2-3]。

移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能都離不開(kāi)控制系統(tǒng)，許多學(xué)者對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究[4-5]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)激光導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的嵌入式控制系統(tǒng)研究相對(duì)不多，本文基于ARM開(kāi)發(fā)了一種激光導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的嵌入式控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的無(wú)線通訊、激光數(shù)據(jù)采集和處理、運(yùn)動(dòng)控制等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

激光導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式總體系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of embedded system

該控制系統(tǒng)采用“Raspberry Pi基金會(huì)”開(kāi)發(fā)的Raspberry Pi 3 Model B作為核心控制器。Raspberry Pi 3是基于ARM Cortex-A 53的64位微處理器，具有體積小，運(yùn)算速度快，接口豐富等優(yōu)點(diǎn)。Raspberry Pi 3 Model B開(kāi)發(fā)板帶有BCM43438芯片，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)功能，從而能夠通過(guò)無(wú)線WiFi與電腦上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

機(jī)器人平臺(tái)選用Yujin公司開(kāi)發(fā)的Kobuki移動(dòng)機(jī)器人。該款機(jī)器人底部裝有左、右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪，機(jī)器人的左右輪帶有編碼器。Kobuki的接口控制板，可通過(guò)串口通訊的方式與核心控制器進(jìn)行通訊。

選用上海思嵐公司開(kāi)發(fā)的RPLIDAR A1激光雷達(dá)作為外部激光傳感器。該激光雷達(dá)可通過(guò)串口通訊的方式與核心控制器進(jìn)行通訊，接收來(lái)自控制器的啟動(dòng)信息，并將采集到的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)通過(guò)串口反饋到控制器。

2 嵌入式控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 Linux操作系統(tǒng)

激光導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的嵌入式控制系統(tǒng)是基于Linux操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的。Linux操作系統(tǒng)支持ARM架構(gòu)，而且具有多任務(wù)操作的特性，實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)程序同時(shí)而獨(dú)立運(yùn)行。Linux操作系統(tǒng)還能具備圖形界面，操作方便，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。Linux系統(tǒng)作為一種開(kāi)源、免費(fèi)的操作系統(tǒng)，對(duì)于嵌入式控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而言，不但節(jié)約成本而且便于使用。

2.2 激光導(dǎo)航算法

激光雷達(dá)掃描周?chē)沫h(huán)境信息并通過(guò)串口將數(shù)據(jù)以極坐標(biāo)形式反饋到核心控制器，串口波特率設(shè)置為115200 b/s。

基于粒子濾波的實(shí)時(shí)定位及地圖構(gòu)建算法是目前主流的激光導(dǎo)航算法之一。如圖2所示，粒子濾波算法利用激光掃描周?chē)h(huán)境特征λ，并將激光掃描數(shù)據(jù)作為t時(shí)刻機(jī)器人的位姿觀測(cè)數(shù)據(jù)zt；以里程計(jì)數(shù)據(jù)作為t時(shí)刻機(jī)器人的內(nèi)部傳感器輸入ut，結(jié)合zt和ut來(lái)估算機(jī)器人在t時(shí)刻的位姿st，并更新環(huán)境地圖m[6]。

聯(lián)合后驗(yàn)概率分布可表示為

根據(jù)Rao-Blackwellized思想，實(shí)時(shí)定位及地圖構(gòu)建可以被分解為2部分，即：利用粒子濾波進(jìn)行定位的非高斯后驗(yàn)部分和利用卡爾曼濾波器進(jìn)行全局地圖更新的條件高斯部分。因此概率分布（1）可以做進(jìn)一步的因式分解，即

進(jìn)行因式分解[7]的意義在于，實(shí)時(shí)定位及地圖構(gòu)建可以完全劃分成機(jī)器人位姿估計(jì)和地圖更新2個(gè)步驟，從而簡(jiǎn)化了算法的計(jì)算量。首先利用激光掃描數(shù)據(jù)和里程計(jì)數(shù)據(jù)估算機(jī)器人位姿后驗(yàn)概率，然后結(jié)合位姿和激光掃描數(shù)據(jù)完成對(duì)地圖的更新。粒子濾波算法位姿估計(jì)及地圖更新如圖2所示。

圖2 粒子濾波算法位姿估計(jì)及地圖更新Fig.2 Particle filter algorithm pose estimation and map updating

粒子濾波器估算后驗(yàn)概率的原理，是利用地圖中隨機(jī)分布多個(gè)粒子，每個(gè)粒子表示機(jī)器人的一種潛在的軌跡。移動(dòng)機(jī)器人在行駛過(guò)程中，粒子集合不斷通過(guò)迭代收斂，權(quán)重高的粒子得以保留而權(quán)重低者則被舍棄，最終保留與機(jī)器人軌跡基本吻合的粒子集。重采樣過(guò)程中，自適應(yīng)閾值Neff用于表示粒子群與機(jī)器人軌跡的吻合程度，其計(jì)算公式為

2.3 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)控制

核心控制器通過(guò)串口與Kobuki移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的接口控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而達(dá)到控制Kobuki移動(dòng)機(jī)器人的目的，串口波特率設(shè)置為115200 b/s。

Kobuki移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制指令由起始位、有效長(zhǎng)度、有效信息和檢驗(yàn)位，共4部分組成。其中：①起始位共有2字節(jié)，由2個(gè)十六進(jìn)制數(shù)0xAA和0x55組成。②有效長(zhǎng)度是指有效信息所包含的字節(jié)數(shù)，其為1個(gè)十六進(jìn)制數(shù)。③有效信息是具體的控制命令，由標(biāo)識(shí)符和具體數(shù)據(jù)組成。以移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制為例，需要標(biāo)識(shí)符為0x01，具體數(shù)據(jù)包括速度（2字節(jié)，單位為mm/s），轉(zhuǎn)彎半徑（2字節(jié)，單位為mm）。④檢驗(yàn)位為單字節(jié)，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性。以運(yùn)動(dòng)控制為例，控制指令報(bào)文見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)動(dòng)控制指令報(bào)文Tab.1 Motion control instruction message

3 試驗(yàn)結(jié)果

利用所提出的嵌入式控制系統(tǒng)，在Kobuki移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，實(shí)物如圖3所示。

圖3 嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Embedded control system object

移動(dòng)機(jī)器人放置于室內(nèi)環(huán)境中，并利用激光雷達(dá)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行掃描，并且構(gòu)建地圖，電腦上位機(jī)[9]可以通過(guò)無(wú)線WiFi實(shí)時(shí)觀測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的地圖構(gòu)建過(guò)程，并向嵌入式控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，從而控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。在1.75 m×10 m的室內(nèi)走廊和4.5 m×6 m的室內(nèi)房間分別進(jìn)行試驗(yàn)。

在1.75 m×10 m的室內(nèi)走廊中測(cè)試移動(dòng)機(jī)器人的直線行走準(zhǔn)確度。在走廊中軸線上，移動(dòng)機(jī)器人共行走8.5 m，測(cè)量機(jī)器人的最終位置與中軸線的位置偏差和偏向角（偏向左記為正，偏向右記為負(fù)），測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 直線行駛試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Straight-line driving experimental data

由表可知，平均位置偏差為9.5 mm，算術(shù)平均偏向角為2.71°。同時(shí)嵌入式系統(tǒng)通過(guò)激光雷達(dá)構(gòu)建出走廊的環(huán)境地圖。

在4.5 m×6 m的室內(nèi)房間中，上位機(jī)通過(guò)無(wú)線WiFi向嵌入式控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，再由核心處理器通過(guò)RS232串口向Kobuki移動(dòng)機(jī)器人發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能。移動(dòng)機(jī)器人按照給定的矩形路線循環(huán)行駛，矩形頂點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0），（0，3000），（4000，3000），（4000，0），單位為 mm。 移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，激光雷達(dá)不斷掃描獲取室內(nèi)房間的環(huán)境特性，并構(gòu)建出掃描地圖。

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)景及相應(yīng)的激光掃描地圖Fig.4 Experimental scene and corresponding laser scanning map

試驗(yàn)的場(chǎng)景以及相應(yīng)的激光掃描地圖如圖4所示。由地圖構(gòu)建結(jié)果可見(jiàn)，嵌入式控制系統(tǒng)接收并處理激光雷達(dá)所反饋的數(shù)據(jù)，構(gòu)建出室內(nèi)環(huán)境地圖，反應(yīng)出室內(nèi)環(huán)境的二維情況，嵌入式控制系統(tǒng)的激光導(dǎo)航定位功能得以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

提出了一種激光導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的嵌入式控制系統(tǒng)架構(gòu)，并進(jìn)行了不同現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)激光導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的激光導(dǎo)航定位，運(yùn)動(dòng)控制等功能，且上位機(jī)可以通過(guò)無(wú)線WiFi與嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作方便。該嵌入式控制系統(tǒng)采用串口通訊，適用面廣，可移植性強(qiáng)，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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