西北工業(yè)大學(xué)

褚 原，張春雨，喻世霖，盧軍汀，張鈳翊

1 作品簡(jiǎn)介

近年來，機(jī)器人與人工智能技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合發(fā)展，推動(dòng)了國民生活方式的不斷改變，智能機(jī)器人逐漸走入人們的日常生活，在醫(yī)療、運(yùn)輸、教育等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。我們團(tuán)隊(duì)基于時(shí)代發(fā)展與市場(chǎng)需求，開發(fā)了Hawking模塊化中型機(jī)器人。不同于傳統(tǒng)的通用型機(jī)器人，模塊化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了機(jī)器人的可擴(kuò)展性和多功能性，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的拆卸安裝更換機(jī)器人的使用功能，解決了機(jī)器人功能單一等問題。

Hawking模塊化中型機(jī)器人具有自主導(dǎo)航無人消毒車、全自主無人物流運(yùn)輸車和自主空氣凈化車功能模塊，可用于辦公室、醫(yī)院、餐廳等場(chǎng)所的日常消毒、物品運(yùn)送和空氣凈化。

2 技術(shù)原理

產(chǎn)品以四輪自主全向平臺(tái)為基礎(chǔ)，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(shí)現(xiàn)無人區(qū)域的消毒或貨物運(yùn)輸。該機(jī)器人裝配有激光雷達(dá)進(jìn)行導(dǎo)航，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)存取、搬運(yùn)，以及大體積運(yùn)輸，還可按照規(guī)劃的路線對(duì)室內(nèi)消毒。該中型機(jī)器人基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)開發(fā)，采用2D激光SLAM算法cartographer進(jìn)行實(shí)時(shí)定位建圖，采用基于A*算法和DWA算法進(jìn)行全局和局部路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)自主導(dǎo)航。產(chǎn)品器件包括全向輪、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、擊球桿、擊球板、氣缸、電磁鐵等。

硬件采用上、下位機(jī)結(jié)合的控制方式：上位機(jī)使用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，基于Qt開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的識(shí)別，并控制機(jī)器人動(dòng)作；下位機(jī)使用STM32F1單片機(jī)，采用PID控制算法計(jì)算當(dāng)前的行進(jìn)角度，引入負(fù)反饋閉環(huán)控制，減小與初始行進(jìn)角度的誤差。利用CAN通信協(xié)議對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)電路板利用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)：電路板采用模塊化設(shè)計(jì)，既可以很好地保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，還能在出現(xiàn)問題時(shí)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(kuò)展模塊。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

本產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)在于硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“1+N”功能，即一個(gè)通用的Hawking中型機(jī)器人底盤可以安裝消毒套件、運(yùn)輸套件等模塊。通過簡(jiǎn)單拆卸即可快速更換功能模塊，實(shí)現(xiàn)一車多用。產(chǎn)品軟件采用平臺(tái)式設(shè)計(jì)，以ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，充分利用ROS的可擴(kuò)展性和多模塊性，通過對(duì)各功能模塊的功能包進(jìn)行開發(fā)、封裝，可直接加入已有軟件系統(tǒng)，方便用戶進(jìn)行新功能軟件的擴(kuò)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?yán)锍逃?jì)信息；相比hector_slam算法，該算法不依賴激光雷達(dá)。團(tuán)隊(duì)將基于模型的方法和基于線性的方法結(jié)合，應(yīng)用于激光數(shù)據(jù)預(yù)處理階段的里程計(jì)標(biāo)定，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量與slam算法的精度。

建立機(jī)器人底盤傳遞函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)做出精確控制，同時(shí)在里程計(jì)中將姿態(tài)融合濾波后的信息加入系統(tǒng)的反饋中，利用卡爾曼濾波對(duì)機(jī)器人的位置和速度進(jìn)行遞推估計(jì)，減少打滑、碰撞等原因造成的姿態(tài)估計(jì)誤差。在同等控制指令下，本輪式平臺(tái)擁有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和更小的靜態(tài)誤差，在協(xié)助激光雷達(dá)進(jìn)行定位和動(dòng)態(tài)位置估計(jì)方面有著更好的表現(xiàn)。

產(chǎn)品的正交四輪結(jié)構(gòu)承重性好，誤差可控，底盤穩(wěn)定性高。使用高精度6軸陀螺儀與里程計(jì)融合，與傳統(tǒng)僅依靠激光雷達(dá)或者利用視覺信息進(jìn)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(fā)電機(jī)和鉛蓄電池污染小，單次服務(wù)面積大，高能量密度顯著提高了續(xù)航時(shí)間，充電快，易拆卸。

產(chǎn)品智能化噴灑控制系統(tǒng)能夠提高藥液利用率，根據(jù)工作環(huán)境復(fù)雜度、噴灑面積的不同，智能調(diào)整噴灑時(shí)間和霧化器功率，在保證消毒效果的同時(shí)降低損耗。