鄧維迪，朱宏輝

（武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢430063）

自改革開放以來，我國(guó)不斷加大了對(duì)公路、鐵路隧道建設(shè)的投資。但由于對(duì)隧道施工環(huán)境的監(jiān)控不足，地質(zhì)條件發(fā)生變化未能及時(shí)作出反應(yīng)從而導(dǎo)致嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，造成人員傷亡的事故時(shí)有發(fā)生。因此超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作成為隧道施工過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。在隧道工程中典型的建圖方法有基于魯棒的掃描匹配和3D 導(dǎo)航技巧的HectorSLAM、基于粒子濾波的Gmapping 算法、基于圖論的KartoSLAM以及基于圖優(yōu)化的LagoSLAM 等[1]。HectorSLAM 是利用高更新速率和現(xiàn)代激光雷達(dá)距離測(cè)量的低噪聲來對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的估計(jì)。這種方法沒有使用里程計(jì)的數(shù)據(jù)，使得這種方法可以在無人機(jī)或者不平地面的機(jī)器人中使用。但另一方面，當(dāng)只有低速激光掃描時(shí)或者里程計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的時(shí)候，HectorSLAM 可能會(huì)出現(xiàn)問題[2]；Gmapping 是世界范圍內(nèi)最為廣泛使用的機(jī)器人建圖算法。作為一種粒子濾波算法，Gmapping 通常需要數(shù)量多的粒子才能獲取良好的結(jié)果，使得算法需要較高的計(jì)算復(fù)雜度。同時(shí)由于粒子耗盡，即粒子濾波器重新取樣時(shí)，粒子的權(quán)重被大大減少，會(huì)有極小的幾率得不出正確的結(jié)果[3]；KartoSLAM 是由SRI International Karto Robotics 開發(fā)的一種基于圖論的建圖算法。這種算法使用了高度優(yōu)化的、非迭代的Cholesky 矩陣分解來解決計(jì)算中的線性稀疏矩陣方程?；趫D論的SLAM 建圖算法用圖來表示地圖，具體來說就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表了機(jī)器人在移動(dòng)軌跡上的一個(gè)位姿，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過代表位姿變化的邊緣進(jìn)行連接。建圖的過程就是在圖里面添加新的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的位姿受到位姿變化的限制?；趫D論的建圖算法在進(jìn)行建圖時(shí)的特征匹配需要的內(nèi)存較多，但在保存建好的地圖時(shí)需要的內(nèi)存更少；LagoSLAM 也是另一種基于圖論的建圖算法，不過這種算法是求機(jī)器人位姿的非線性非凸函數(shù)的最小代價(jià)，在每次迭代計(jì)算中，求出最初問題的局部近似解，以此更新圖的性質(zhì)，直到達(dá)到代價(jià)函數(shù)的極小值。但是這種優(yōu)化算法只有在一個(gè)較好的初始的預(yù)估值才能收斂，粒子濾波算法的求解過程如圖1 所示。

圖1 粒子濾波算法演示Fig.1 Demonstration of particle filter algorithm

本文根據(jù)隧道施工安全預(yù)警要求，并結(jié)合自動(dòng)控制與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種機(jī)器人行走遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過云服務(wù)器作為連接用戶和機(jī)器人的橋梁，用戶使用瀏覽器，在網(wǎng)上發(fā)出控制指令，云服務(wù)器將這些指令發(fā)送到機(jī)器人上位機(jī)上，通過機(jī)器人底盤伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同位姿的精確控制，上位機(jī)通過USB 獲取里程計(jì)的采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過mesh 網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將隧道的環(huán)境和機(jī)器人的位姿狀態(tài)實(shí)時(shí)展示給用戶。在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可運(yùn)行性。通過網(wǎng)頁(yè)可以使幾乎所有的設(shè)備作為探測(cè)數(shù)據(jù)的查詢終端，可以顯示出機(jī)器人的行走位置，從而有效地提高隧道施工監(jiān)測(cè)效果。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

該探水自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是在隧道安全預(yù)警小車需求的基礎(chǔ)上提出的。系統(tǒng)要求通過管理員遠(yuǎn)程控制小車的移動(dòng)，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)視小車周圍障礙物的情況。車載傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)端，同時(shí)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)分析出地圖并展示給管理員。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由云服務(wù)器、mesh 路由器、上位機(jī)、STM32 單片機(jī)、左直流電機(jī)、右直流電機(jī)、激光雷達(dá)以及里程計(jì)組成。由于在隧道施工環(huán)境中需要考慮防水需求，故該系統(tǒng)將上位機(jī)和STM32 單片機(jī)搭載在小車內(nèi)部，以提高防水等級(jí)。直流電機(jī)帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)底盤的差動(dòng)控制，使機(jī)器人能靈活控制。考慮到隧道中傳統(tǒng)的4G 和WLAN 有效傳輸距離很短，在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)部署了mesh 網(wǎng)絡(luò)，保證機(jī)器人能有穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)接入。考慮到小車上位機(jī)的性能和攜帶電池的容量有限，小車本體只負(fù)責(zé)從傳感器讀取數(shù)據(jù)，所有的建圖算法都在云服務(wù)器上運(yùn)行?？紤]到管理的方便性以及操作的簡(jiǎn)便性，使用網(wǎng)頁(yè)通過云服務(wù)器連接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制裝置以發(fā)送控制指令。同時(shí)通過網(wǎng)頁(yè)對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行展示，小車結(jié)構(gòu)如圖2 所示，底盤位姿控制部分放大圖如圖3 所示。

圖2 小車整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of trolley

圖3 小車底盤位姿控制部分放大圖Fig.3 Enlarged view of position and attitude control part of trolley chassis

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

網(wǎng)頁(yè)終端通過wifi 或4G 等聯(lián)網(wǎng)方式連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，發(fā)出各種對(duì)機(jī)器人的控制指令，云服務(wù)器上部署了kafka 消息隊(duì)列，發(fā)布機(jī)器人命令的主題，訂閱機(jī)器人狀態(tài)的主題； 機(jī)器人上也部署了kafka消息隊(duì)列，訂閱了機(jī)器人命令的主題，發(fā)布機(jī)器人狀態(tài)的主題。每次機(jī)器人收到訂閱的消息后，根據(jù)消息的具體命令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，收到移動(dòng)指令后，上位機(jī)通過串口對(duì)STM32 控制機(jī)器人底盤的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人前進(jìn)后退，左右旋轉(zhuǎn)到達(dá)指定的位姿。同時(shí)，機(jī)器人還讀取里程計(jì)的數(shù)據(jù)，通過消息隊(duì)列發(fā)送到服務(wù)器上，服務(wù)器收到機(jī)器人發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，通過網(wǎng)頁(yè)直觀的展示可視化結(jié)果。由于服務(wù)器有公網(wǎng)ip，各種設(shè)備只要能上網(wǎng)，同時(shí)能夠通過驗(yàn)證就可訪問serverless 的nginx 服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)將探測(cè)結(jié)果顯示到瀏覽器上，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.4 System overall architecture diagram

3 機(jī)器人底盤位姿控制裝置

系統(tǒng)控制芯片采用STM32F407，通過+5 V 電源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，系統(tǒng)通過USB 串口讀取里程計(jì)數(shù)據(jù)，通過GPIO 控制底盤伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)并且和上位機(jī)通信，接收上位機(jī)接收到的云服務(wù)器發(fā)送的控制指令并返回機(jī)器人的位姿狀態(tài)，底盤位姿控制裝置的硬件系統(tǒng)框圖如圖5 所示。

圖5 硬件系統(tǒng)框圖Fig.5 Hardware system block diagram

3.1 USB 串口控制模塊

USB 串口主要是對(duì)里程計(jì)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。里程計(jì)選擇型號(hào)為HiPNUC 的MPU9250，運(yùn)行電壓為5 V； 輸出速率是100 Hz； 測(cè)量范圍±2000°/s；非線形度±0.1%；噪聲密度0.08°/s·Hz-1；采樣率1000 Hz。激光雷達(dá)選擇型號(hào)為思嵐的RPLIDAR A2，高度41 mm；直徑76 mm；重量190 g；測(cè)距范圍0.15～18 m；掃描角度為360°；角度分辨率為0.45°。采用115200 波特率的串口輸出，其控制方式為USB 異步串口通信。選擇波特率為115200，無校驗(yàn)位[4]。里程計(jì)和激光雷達(dá)接收數(shù)據(jù)格式相同，如圖6所示，其中A 為報(bào)頭；B 為保留位；C 為指令包的長(zhǎng)度；D 為發(fā)出的命令；E 為命令的參數(shù)；F 為CRC16校驗(yàn)位。

圖6 里程計(jì)和激光雷達(dá)接收數(shù)據(jù)格式Fig.6 Odometer and lidar receiving data format

3.2 伺服電機(jī)控制模塊

推桿控制模塊主要通過STM32 的2 個(gè)GPIO引腳分別控制2 個(gè)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為2500 r/min，供電電源為直流24 V。選擇PA10，PA11，PC10，PC11 引腳和GND 連接直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)模塊，DC POWER 端連接24 V 電源，電機(jī)接線如圖7 所示。

圖7 電機(jī)連接圖Fig.7 Motor connection diagram

4 上位機(jī)通信模塊

上位機(jī)通信模塊主要作用是接收上位機(jī)接收到的云服務(wù)器發(fā)送的控制指令并返回機(jī)器人的位姿狀態(tài)。上位機(jī)上面安裝了wifi 模塊，可以連接上隧道中部署的mesh 網(wǎng)絡(luò)，連接上互聯(lián)網(wǎng)，運(yùn)行kafka消息隊(duì)列和云服務(wù)器保持可靠的通信。和部署在隧道環(huán)境的mesh 路由器進(jìn)行通信，連接上互聯(lián)網(wǎng)，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)接收服務(wù)器發(fā)送的命令。上位機(jī)運(yùn)行的是Ubuntu 18.04 LTS 系統(tǒng)，通過GPIO 和機(jī)器人底盤位姿控制裝置通信，來控制機(jī)器人的位姿并讀取狀態(tài)信息反饋到云服務(wù)器上。

4.1 GPIO 通信模塊

GPIO 通信模塊主要作用是和STM32 進(jìn)行通信，控制機(jī)器人底盤的位姿并將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器進(jìn)行處理。使用的工控機(jī)裝有8 路GPIO，選擇其中的引腳1、 引腳2 和STM32 上的GPIO 引腳進(jìn)行連接。將STM32 的GPIO 串口設(shè)置為主機(jī)模式，并將波特率設(shè)置為9600，1 位停止位，無校驗(yàn)位，STM32 引腳接線說明見表1，STM32 引腳接線電路如圖8 所示。

表1 STM32 引腳接線說明Tab.1 STM32 pin wiring instructions

圖8 STM32 引腳接線電路圖Fig.8 STM32 circuit diagram of pin wiring

4.2 kafka 消息隊(duì)列模塊

kafka 消息隊(duì)列的作用是保證數(shù)據(jù)不被丟失的正常發(fā)送。在隧道中雖然部署了mesh 無線網(wǎng)絡(luò)，但是在一些地方信號(hào)不好。如果使用傳統(tǒng)的tcp 連接，在信號(hào)不好的時(shí)候連接會(huì)斷開，造成數(shù)據(jù)丟失。使用kafka 消息隊(duì)列，數(shù)據(jù)在沒有網(wǎng)的時(shí)候會(huì)在本地緩存，在有網(wǎng)的時(shí)候自動(dòng)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。同時(shí)kafka 的內(nèi)存占用低，性能高，編程簡(jiǎn)單，適合在電池和性能有限的移動(dòng)機(jī)器人中使用。

云服務(wù)器和上位機(jī)發(fā)布和接收的kafka 主題分別是server_command 和client_response，消息內(nèi)容為json 定義，如表2 和表3 所示。

表2 發(fā)布消息格式說明Tab.2 Post message format description

表3 接收消息格式說明Tab.3 Receiving message format description

5 網(wǎng)頁(yè)控制模塊

網(wǎng)頁(yè)的主要作用是完成用戶身份認(rèn)證；將用戶的輸入轉(zhuǎn)化為控制命令發(fā)送到機(jī)器人；監(jiān)視機(jī)器人底盤的運(yùn)行狀態(tài)以及將結(jié)果展示給用戶。當(dāng)用戶打開網(wǎng)頁(yè)后，開始進(jìn)行身份驗(yàn)證，如驗(yàn)證成功，則模塊進(jìn)入機(jī)器人可視化界面，通過使用鍵盤控制機(jī)器人的移動(dòng)并在界面上追蹤機(jī)器人的位置。用戶點(diǎn)擊菜單欄中的下拉框查看機(jī)器人，選擇所需的機(jī)器人進(jìn)行連接，之后網(wǎng)頁(yè)將下拉框收回，進(jìn)入全屏模式，顯示機(jī)器人控制界面，點(diǎn)擊“開始”控制按鈕后，使用鍵盤上的方向鍵便可按指定方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)頁(yè)界面實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)位置。不需要手動(dòng)控制后，可通過點(diǎn)擊停止控制按鈕，機(jī)器人將不受用戶的控制。

5.1 用戶身份驗(yàn)證

用戶身份認(rèn)證主要通過一個(gè)有3 個(gè)input 的form 控件實(shí)現(xiàn)，3 個(gè)input 的類型分別是text，password 和submit，分別對(duì)應(yīng)了用戶名、密碼和提交按鈕。當(dāng)用戶點(diǎn)擊submit 類型的input 時(shí)，獲取text 和password 的input 的身份以及密碼信息，并進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)驗(yàn)證通過時(shí)，證明該用戶是設(shè)備操作人員，同時(shí)切換到機(jī)器人選擇界面，用戶身份認(rèn)證界面如圖9 所示。

圖9 用戶身份認(rèn)證界面Fig.9 User authentication interface

5.2 網(wǎng)頁(yè)和服務(wù)器通訊

用戶通過身份驗(yàn)證后，打開新的Dom 元素。在window.onload（）函數(shù)中初始化界面，顯示機(jī)器人選擇界面，用戶可以選擇機(jī)器人或后退。如選擇后退則程序結(jié)束，如選擇某個(gè)機(jī)器人后，程序繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)程序?qū)⑾蜻h(yuǎn)程服務(wù)器打開一個(gè)websocket 鏈接，websocket 注冊(cè)onopen，onmessage，onclose 三個(gè)回調(diào)函數(shù)[5]。通過onopen（）方法向服務(wù)器發(fā)送用戶選擇的具體機(jī)器人標(biāo)識(shí)號(hào)，服務(wù)器就會(huì)在這條websocket 鏈接上發(fā)送選擇機(jī)器人的相關(guān)信息。onmessage（）方法則是用來處理服務(wù)器發(fā)過來的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將由另外的函數(shù)處理并繪制在網(wǎng)頁(yè)的canvas元素上。當(dāng)用戶關(guān)閉瀏覽器頁(yè)面或者點(diǎn)擊“停止”按鈕時(shí)，onclose（）負(fù)責(zé)斷開連接前做出一些清理。同時(shí)還會(huì)使用setInterval（）函數(shù)使websocket 鏈接定時(shí)發(fā)送心跳包，保持客戶端的存活。

當(dāng)點(diǎn)擊“開始”控制后，用戶的鍵盤操作將可以直接控制機(jī)器人的移動(dòng)，為此還需要使用window.onkeydown（）監(jiān)聽用戶的鍵盤輸入，上下左右4 個(gè)方向鍵對(duì)應(yīng)著ArrowUp，ArrowDown，ArrowLeft，ArrowRight。當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，回調(diào)函數(shù)會(huì)根據(jù)發(fā)生的事件中key 屬性，判斷用戶的點(diǎn)擊按鍵，從而使用websocket的send（）方法向服務(wù)器發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。當(dāng)websocket 接收到服務(wù)器發(fā)送的消息后，需要在界面上顯示給用戶。使用canvas 的fillRect（），beginPath（），moveTo（），lineTo（），fill（）方法繪制機(jī)器人的位姿。網(wǎng)頁(yè)websocket 連接流程如圖10 所示。

圖10 用戶瀏覽器和云服務(wù)器通訊連接流程Fig.10 User browser and cloud server communication connection flow chart

5.3 網(wǎng)頁(yè)可視化界面

可視化界面主要實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人的位姿狀態(tài)。主要使用了canvas 進(jìn)行圖像的動(dòng)態(tài)繪制、使用web socket 從服務(wù)器獲取機(jī)器人的實(shí)時(shí)位姿信息，由一個(gè)canvas 元素組成。在遠(yuǎn)程服務(wù)器搭建Nginx 服務(wù)器，在網(wǎng)頁(yè)端通過websocket 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行Http upgrade 請(qǐng)求，獲取實(shí)時(shí)消息并顯示在canvas 上[6]。

6 系統(tǒng)驗(yàn)證與測(cè)試

系統(tǒng)軟硬件模塊設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件運(yùn)行穩(wěn)定性和網(wǎng)頁(yè)功能進(jìn)行測(cè)試。硬件測(cè)試主要測(cè)試底盤位姿控制裝置能否正常運(yùn)行，網(wǎng)頁(yè)測(cè)試主要包括服務(wù)器與機(jī)器人上位機(jī)的通信以及機(jī)器人位姿狀態(tài)顯示功能。在貴州桐梓隧道右洞中進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，桐梓隧道測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖11 所示。打開網(wǎng)頁(yè)，并選擇該機(jī)器人，點(diǎn)擊開始控制按鈕，此時(shí)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人底盤運(yùn)動(dòng)，并將機(jī)器人位姿狀態(tài)發(fā)送到手機(jī)上，網(wǎng)頁(yè)端實(shí)時(shí)顯示界面如圖12 所示。

圖11 桐梓隧道測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Tongzi tunnel test site

圖12 網(wǎng)頁(yè)機(jī)器人狀態(tài)界面Fig.12 Web robot status interface

當(dāng)不需要手動(dòng)控制后，可以通過點(diǎn)擊菜單下的“停止”控制按鈕，結(jié)束對(duì)機(jī)器人的控制，機(jī)器人實(shí)時(shí)行走地圖如圖13 所示。

圖13 機(jī)器人實(shí)時(shí)行走地圖Fig.13 Real-time robot walking map

7 結(jié)語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云服務(wù)相結(jié)合，通過分析隧道預(yù)警小車的具體需求，設(shè)計(jì)出一種機(jī)器人行走遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過對(duì)軟硬件模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了隧道環(huán)境中機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集以及傳輸，并通過云服務(wù)器分析傳感器數(shù)據(jù)，得出可視化結(jié)果，工程技術(shù)人員可通過網(wǎng)頁(yè)查看機(jī)器人目前位姿，并進(jìn)行手動(dòng)控制。從而能夠減少隧道施工過程中工人數(shù)量，有效地提高隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，避免發(fā)生意外事故。