徐雨桐 趙金鵬 靳文庸 千承輝

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,長春 130061)

0 引 言

目前,機(jī)器人作為緩解社會壓力、推動民生科技的關(guān)鍵技術(shù),早已成為人類的伙伴[1-2]。其中服務(wù)型機(jī)器人可實現(xiàn)智能控制中的多方面應(yīng)用,例如采用SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)技術(shù)進(jìn)行建圖,利用蒙特卡羅定位算法進(jìn)行定位,調(diào)用OpenCV 技術(shù)進(jìn)行場景識別等。但因這些技術(shù)對硬件要求較高,程序可移植性和兼容性較差,且當(dāng)面對陌生環(huán)境時需手動操作鍵盤建圖,故不適合進(jìn)行二次開發(fā)。如果在系統(tǒng)中加入控制器與傳感器數(shù)據(jù)采集模塊,就需要匹配操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)并保證各個子程序的正常運(yùn)行,控制和交互信息的有效傳遞,以及異常和錯誤的及時處理等,否則很難實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用[3-4]。

筆者利用光電傳感器返回的信號模擬鍵盤控制信號,結(jié)合SLAM 技術(shù)實現(xiàn)機(jī)器人自主建圖功能,采用模塊化編程的思想設(shè)計實現(xiàn)多個輸入輸出接口,提高機(jī)器人系統(tǒng)的兼容性、擴(kuò)展性和程序可移植性,設(shè)計可搭載攝像頭和聲音傳感器等多個模塊的自適應(yīng)倉庫值守機(jī)器人。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及其硬件組成

自適應(yīng)值守機(jī)器人系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示,系統(tǒng)供電采用24～26 V 鋰電池,由上位機(jī)(微處理器和STM32 控制器)、下位機(jī)(運(yùn)動控制)、信號采集模塊(激光雷達(dá)、陀螺儀和光電傳感器等)、電源模塊(電源供給和電壓顯示)、通信模塊(遠(yuǎn)端顯示及無線通信)和外搭載模塊(聲音及圖像檢測)等6 個硬件模塊組成。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of system

圖1 中,i5 微處理器內(nèi)裝配ROS(Robot Operating System)操作系統(tǒng),配有無線網(wǎng)卡、USB、HDMI(High Definition Multimedia Interface)等接口；系統(tǒng)由二維激光雷達(dá)和九軸姿態(tài)傳感器完成導(dǎo)航,STM32處理器采集光電傳感器信號輔助完成自主建圖；電源模塊提供給上下位機(jī)模塊匹配的電源,可實時監(jiān)測電壓值并顯示；攝像頭模塊支持物聯(lián)網(wǎng)云平臺使用,可實時回傳機(jī)器人周圍景像；聲音檢測模塊監(jiān)測周圍音量并輸出相應(yīng)的電壓值,支持物聯(lián)網(wǎng)云平臺實時監(jiān)測是否有異常響聲；三輪全向底盤的電機(jī)采用帶編碼器的直流電機(jī),輪子采用麥克納姆輪,控制機(jī)器人360?平面運(yùn)動。值守機(jī)器人系統(tǒng)通過傳感器獲取機(jī)器人姿態(tài)信息和周圍環(huán)境信息,搭載攝像頭、噪聲采集等多種監(jiān)測傳感器,通過算法實現(xiàn)自主建圖、導(dǎo)航、自主回歸和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

2 系統(tǒng)模型及軟件設(shè)計

2.1 機(jī)器人下位機(jī)模型選擇

采用Arduino 控制器進(jìn)行機(jī)器人底盤控制,利用麥克納姆輪實現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定、全向運(yùn)動,其運(yùn)動模型如圖2a 所示。Arduino 控制器具有豐富的標(biāo)準(zhǔn)化接口,支持SPI(Serial Peripheral Interface)、IIC(Inter-Integrated Circuit)和RS232 等通信方式,以規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)庫和豐富的功能包提高程序的可擴(kuò)展性和可移植性。

圖2 三輪全向底盤運(yùn)動模型Fig.2 Three-wheel all-directional chassis motion model

圖2 中A、B、C 代表機(jī)器人的3 個輪子,坐標(biāo)系均為位置坐標(biāo)系。機(jī)器人X方向和Y方向的速度分量,以及運(yùn)動的方向角為

其中Va,Vb,Vc分別為A,B,C 3 個輪子的速度,機(jī)器人行進(jìn)過程中的坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2b 所示[5]。機(jī)器人在真實參考框架XOY下的終點(diǎn)位姿

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)主要采用i5 微處理器運(yùn)行上位機(jī)軟件,軟件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。具體功能及其實現(xiàn)方式如表1所示。上位機(jī)主要基于Ubuntu 環(huán)境進(jìn)行ROS 操作系統(tǒng),三維可視化平臺Rviz 顯示所建地圖、機(jī)器人位置等信息,遠(yuǎn)程控制軟件Teamviewer 將Rviz 所顯示信息傳送到遠(yuǎn)端顯示器,實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。

圖3 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 PC software structure

表1 功能實現(xiàn)對應(yīng)表Tab.1 Function realization corresponding table

3 SLAM 與鍵盤模擬技術(shù)

3.1 SLAM 技術(shù)

該機(jī)器人涉及到的SLAM 技術(shù)的框架如圖4 所示。首先對從里程計、激光雷達(dá)以及IMU(Inertial Measurement Unit)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理,其中里程計數(shù)據(jù)用于對激光雷達(dá)由于移動而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)畸變進(jìn)行校正。然后利用傳感器獲得的數(shù)據(jù)計算當(dāng)前幀與之前用特征點(diǎn)緩存成的小地圖之間的位置關(guān)系,完成前端配準(zhǔn),再利用運(yùn)動觀測方程進(jìn)行后端非線性優(yōu)化。

圖4 SLAM 框架Fig.4 SLAM framework

其中運(yùn)動觀測方程為[6-7]

其中xk為相機(jī)的位姿,uk為輸入數(shù)據(jù),yj為路標(biāo),zj,k為圖像上的像素位置,wk,vk,j均為噪聲項。SLAM框架采用回環(huán)檢測消除積累誤差,提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性和精度,最終實現(xiàn)建圖功能。

3.2 借助光電傳感器鍵盤模擬技術(shù)

采用光電傳感器和STM32 控制器實現(xiàn)沿右側(cè)墻壁行進(jìn)和避障的功能,STM32 與i5 微處理器采用串口通信方式連接,i5 微處理器讀取控制信息,利用Python 中的virtkey 庫進(jìn)行鍵盤模擬,實現(xiàn)控制機(jī)器人建圖,即機(jī)器人自主建圖[8-9]。其中光電傳感器和機(jī)器人狀態(tài)對應(yīng)表如表2 所示。

表2 狀態(tài)對應(yīng)表Tab.2 State correspondence table

表2 中K1 為正前方光電傳感器,K2 為右前方光電傳感器,K4 為正右方光電傳感器,K5 為右后方光電傳感器,光電傳感器為0 時表示檢測到障礙物,為1 時表示未檢測到障礙物。

4 系統(tǒng)測試

由遠(yuǎn)端監(jiān)控Rviz 界面以觀察建圖效果,檢驗值守機(jī)器人的性能[10]。圖5a 為手動建立,圖5b 為機(jī)器人自主建立。圖5 中數(shù)據(jù)顯示機(jī)器人位置等狀態(tài)信息,較粗的軌跡為近期機(jī)器人走過的路線,較細(xì)的軌跡為規(guī)劃將要走的路徑。經(jīng)對比測試,自適應(yīng)值守機(jī)器人自主建圖與手動建圖的相似度達(dá)95%以上,滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 Rviz 建圖界面Fig.5 Rviz drawing interface

機(jī)器人外觀如圖6 所示。機(jī)器人多次回到原點(diǎn)時系統(tǒng)通過Rviz 顯示的坐標(biāo)如表3 所示,其中理想坐標(biāo)值為(-0.130 00,0.010 87,0.000 00)。表3 中的誤差換算成以m 為單位時均小于0.3 m。

表3 定位誤差Tab.3 Positioning error

圖6 機(jī)器人外觀Fig.6 Robot appearance

圖6 中1 為電壓顯示模塊,2 為激光雷達(dá),3 為STM32,4 為電源模塊,5 為總開關(guān),6 為i5 微處理器,7 為九軸陀螺儀,8 為光電傳感器,9 為Arduino,10 為電池。

由于需要考慮到激光雷達(dá)的精度以及掃描速度問題,機(jī)器人的行進(jìn)速度為0.3 m/s。筆者對不同面積的倉庫(機(jī)器人建圖過道寬度不超過16 m)進(jìn)行巡邏測試,每個面積數(shù)的地圖重復(fù)測試10 次以上,得出在一定范圍內(nèi)的平均時間,結(jié)果如表4 所示。

表4 巡邏測試結(jié)果Tab.4 Patrol test results

雖然該測試的面積相對較小,但結(jié)果證明該機(jī)器人在功能上完全可以實現(xiàn)倉庫巡邏,而當(dāng)搭載容量更大的電池時將可以實現(xiàn)更大面積倉庫的巡邏。

5 結(jié) 語

筆者設(shè)計的自適應(yīng)值守機(jī)器人實現(xiàn)了自主建圖、自主導(dǎo)航、避障、回歸原點(diǎn)、異響監(jiān)測和機(jī)器人當(dāng)前位置狀態(tài)及環(huán)境信息實時回傳等功能,為機(jī)器人提出了一種新的自主建圖的方法,使其對陌生環(huán)境具有一定的感知和適應(yīng)能力。該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和可移植性,可針對不同需求進(jìn)行適合的二次開發(fā)。