張玉林 陳勇林

（重慶大學(xué)城市科技學(xué)院，重慶，402167）

0 引言

ROS（Robot Operating System）被稱為機(jī)器人操作系統(tǒng)，但實(shí)際上其充當(dāng)?shù)氖峭ㄐ胖虚g件的角色，即：在已有操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建一整套針對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架。此外，ROS還可以提供一組實(shí)用工具和軟件庫(kù)，用于維護(hù)、構(gòu)建、編寫和執(zhí)行可用于多個(gè)計(jì)算平臺(tái)的軟件代碼[1]。

值得一提的是，由于ROS的設(shè)計(jì)者考慮到每個(gè)開發(fā)者使用的開發(fā)語(yǔ)言不同，因此將ROS設(shè)計(jì)成獨(dú)立開發(fā)語(yǔ)言，支持C++、Python等多種開發(fā)語(yǔ)言。除了官方提供的功能包之外，ROS還聚合了全世界開發(fā)者實(shí)現(xiàn)的大量開源功能包，如上海思嵐科技有限公司（SLAMTEC）發(fā)布了針對(duì)其自主研發(fā)的激光雷達(dá)RPLIDAR的ROS功能包rplidar_ros，這些開源功能包與ROS一起構(gòu)成了強(qiáng)大的開源生態(tài)環(huán)境。

ROS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也頗具特色，其運(yùn)行時(shí)由多個(gè)松耦合的進(jìn)程組成，每個(gè)進(jìn)程ROS稱之為節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)均可以運(yùn)行在一個(gè)處理器上，也可以分布式運(yùn)行在多個(gè)處理器上。在實(shí)際使用時(shí)，這種松耦合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以讓開發(fā)者根據(jù)機(jī)器人所需功能靈活添加各個(gè)功能模塊。

1 理論分析

1.1 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制

電機(jī)的控制分為兩部分，一部分為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制，另一部分為電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向用兩個(gè)MCU引腳來(lái)控制，假如：PIN_A=1，PIN_B=0 時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；PIN_A=0，PIN_B=1 時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；PIN_A=0，PIN_B=0 時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)速度的控制則需要一個(gè)PWM輸出引腳，筆者通過(guò)控制輸出不同的PWM值來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。

1.2 PID控制

如果我們想控制小車以1m/s的速度做直線運(yùn)動(dòng)，但由于地面阻力的影響，會(huì)造成小車的左右輪速度與目標(biāo)控制速度不同，故小車不會(huì)沿直線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)就需要加入PID控制。PID控制的原理就是：實(shí)時(shí)采集小車輪子真正的速度與控制的速度進(jìn)行對(duì)比，差則補(bǔ)，多則減，這樣基本就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的控制。該小車的PID算法如附錄A所示[2]。

1.3 小車轉(zhuǎn)彎控制

一般情況下，我們要想控制小車前進(jìn)或者后退的速度，只需要利用PID算法控制兩個(gè)輪子的速度保持一致就可以做到。但如果我們要控制小車轉(zhuǎn)彎的角速度，則需要做一定的計(jì)算，其計(jì)算分析過(guò)程如圖1所示。

圖1 小車轉(zhuǎn)彎控制計(jì)算分析

1.4 參數(shù)測(cè)量與計(jì)算

當(dāng)小車轉(zhuǎn)向時(shí)，四個(gè)輪胎都近似圍繞一個(gè)中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，以保證小車在行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性，但是由于四輪差速轉(zhuǎn)向小車沒(méi)有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，很難保證其穩(wěn)定性。此外，小車轉(zhuǎn)向時(shí)很容易和地面發(fā)生滑移。本文把小車的形心作為質(zhì)心，并且忽略路面情況變化等的影響，得出四輪差速轉(zhuǎn)向小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 四輪差速轉(zhuǎn)向小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

式（1）-式（8）中，R1為左前輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；R2為右前輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；L為質(zhì)心到輪子的水平距離，R為小車質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O的水平距離。

式（9）中，i為電動(dòng)機(jī)的減速比，r為車輪的半徑，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)得到。

本文根據(jù)小車的實(shí)際尺寸計(jì)算出所需數(shù)據(jù)。小車的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算如下：前后輪軸距K=168 mm，左右輪距離L=266 mm，車輪半徑r=130 mm，電動(dòng)機(jī)減速比1∶30。

假設(shè)小車轉(zhuǎn)向的角速度ω為5 rad/s，轉(zhuǎn)向半徑R為100 mm。由上面的公式便可得出小車各個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速：n1=n3=18.3 r/min；n2=n4=116.1 r/min。

1.5 ROS平臺(tái)與底盤通信協(xié)議

ROS平臺(tái)與小車底盤的通信一般是通過(guò)串口或者CAN總線，本文采用串口作為通信方式，以下為自定義的通信數(shù)據(jù)格式。

1.5.1 小車底盤串口

串口接收：小車左右輪速度，單位：mm/s；10字節(jié)（所有數(shù)據(jù)都為float型，float型占4字節(jié)）：右輪速度4字節(jié)，左輪速度4字節(jié)，結(jié)束符“ ”2字節(jié)。

串口發(fā)送：里程計(jì)x, y坐標(biāo)、線速度、角速度和方向角，單位依次為：mm、mm、mm/s、rad/s、rad；21字節(jié)（所有數(shù)據(jù)都為float型，float型占4字節(jié)）：x坐標(biāo)4字節(jié)，y坐標(biāo)4字節(jié)，線速度4字節(jié)，角速度4字節(jié)，方向角4字節(jié)，結(jié)束符“ ”1字節(jié)。

1.5.2 ROS平臺(tái)串口節(jié)點(diǎn)

寫入串口：左右輪速度，單位為mm/s；10字節(jié)：右輪速度4字節(jié)，左輪速度4字節(jié)，結(jié)束符“ ”2字節(jié)。

讀取串口：小車x、y坐標(biāo)、方向角、線速度、角速度，單位依次為：mm、mm、rad、mm/s、rad/s；21字節(jié)：X坐標(biāo)4字節(jié)，Y坐標(biāo)4字節(jié)，方向角4字節(jié)，線速度4字節(jié)，角速度4字節(jié)，結(jié)束符“ ”1字節(jié)。

2 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真

2.1 屬性配置

本文使用程序工具moveit setup assistant對(duì)機(jī)器人進(jìn)行屬性配置，其界面如圖3所示。

圖3 Moveit屬性設(shè)置界面

2.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真

本文通過(guò)moveit setup assistant，成功使用Rviz進(jìn)行了機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真和整體運(yùn)動(dòng)仿真，如圖4-圖7所示。URDF（Unified Robot Description Format）為統(tǒng)一機(jī)器人描述格式，ROS中的URDF功能包中包含一個(gè)URDF的C++解析器，URDF文件使用XML格式描述機(jī)器人模型。

圖4 URDF模型關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)仿真

圖5 利用Rviz對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

圖6 Rviz呈現(xiàn)的小車模型

圖7 Rviz呈現(xiàn)的小車運(yùn)動(dòng)軌跡

2.3 模塊運(yùn)動(dòng)仿真

本文首先通過(guò)Rviz對(duì)機(jī)器人模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真（圖8為L(zhǎng)inux命令代碼操作）[3]。

圖8 通過(guò)Linux命令直接仿真機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

然后，編寫.launch文件（c++編寫）存放在package包內(nèi)的launch文件（file）中，在Linux命令框中用roslaunch代碼讀取.launch文件（文件中有機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃代碼），如圖9所示。

圖9 通過(guò)launch文件編寫代碼對(duì)機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)仿真

最后，用apt-get在ROS官網(wǎng)上下載搖桿包，通過(guò)搖桿仿真控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，如圖10所示。

圖10 通過(guò)搖桿控制規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線

2.4 控制模擬

圖10中右邊命令框Arbotix Controller是模擬搖桿控制器，系統(tǒng)首先通過(guò)采集搖桿節(jié)點(diǎn)輸入數(shù)據(jù)向機(jī)器人節(jié)點(diǎn)發(fā)送Topic消息，并用Rosrun運(yùn)行rqt_graph彈出如圖11界面，對(duì)機(jī)器人節(jié)點(diǎn)間的Topic話題進(jìn)行可視化分析[4]；然后用Marker對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行第三方控制[5]，控制流程和路徑控制如圖12、圖13所示。

圖11 機(jī)器人節(jié)點(diǎn)話題可視化分析

圖12 Marker控制流程

圖13 Rviz路徑控制

從上述介紹可知，小車運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真包括：環(huán)境搭建與機(jī)器人屬性設(shè)置、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃模擬、可視化界面呈現(xiàn)與分析、節(jié)點(diǎn)話題可視化分析。

3 結(jié)果分析

在ROS平臺(tái)相應(yīng)仿真軟件的幫助下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大幅度簡(jiǎn)化。上述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真逐步實(shí)現(xiàn)了小車從路徑控制到搖桿控制的過(guò)程。本文通過(guò)模擬分析，得到了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式及相應(yīng)的控制方法，為后續(xù)硬件搭建與功能的實(shí)現(xiàn)提供了參考。

基于ROS平臺(tái)的輔助機(jī)器視覺與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃把機(jī)器人設(shè)計(jì)成兩個(gè)板塊，首先，上位機(jī)樹莓派通過(guò)ROS的通信協(xié)議接收下位機(jī)Arduino接收的攝像頭等傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行SLAM與基于PID算法的路徑規(guī)劃等運(yùn)算預(yù)處理，然后將預(yù)處理數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)ROS通信協(xié)議返還給下位機(jī)Arduino進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果解析，并對(duì)包括舵機(jī)轉(zhuǎn)速、攝像頭朝向等外部控制參數(shù)進(jìn)行直接操作，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖14所示。

圖14 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 總結(jié)

針對(duì)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境定位與地圖構(gòu)建( SLAM)功能的移動(dòng)機(jī)器人成本高等問(wèn)題，本文提出了一種低成本的開源移動(dòng)機(jī)器人 控制系統(tǒng)方案，以控制芯片 Arduino為基礎(chǔ)，通過(guò)將開源機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）移植到開源嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，設(shè)計(jì)出基于 ROS 的分布式上位機(jī)控制軟件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的下位機(jī)程序，從而完成移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的搭建，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的分布式控制。移動(dòng)機(jī)器人所使用的軟硬件均開源，且成本低、性能高、可擴(kuò)展性好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，而且該研究對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的開發(fā)與實(shí)際應(yīng)用提供了一個(gè)新的思路與方法。

本文最后的附錄A和附錄B，分別介紹了小車的PID算法和小車運(yùn)動(dòng)控制所需調(diào)用的ROS的C++庫(kù)，供相關(guān)研發(fā)人員參考。