黃一航　解迎剛　馬曉宇　張祖貽　張?zhí)靷?/p>

摘 要：通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，機(jī)器人可以獲得更廣泛的態(tài)勢感知，從而更好地執(zhí)行任務(wù)。文中根據(jù)機(jī)器人大賽動(dòng)態(tài)避障賽程的集體要求，搭建了基于ROS平臺工業(yè)機(jī)器人開源平臺，應(yīng)用Python語言進(jìn)行Gazebo虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的搭建，基于雙目視覺完成了靜態(tài)避障與動(dòng)態(tài)避障功能，完成了機(jī)器人大賽的具體比賽。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人;ROS平臺;Gazebo系統(tǒng);智能避障;傳感器;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

近幾年，各行各業(yè)服務(wù)型機(jī)器人發(fā)展迅猛，服務(wù)機(jī)器人逐漸參與到人們的生活中。服務(wù)型機(jī)器人是最為實(shí)用也是最貼近人類生活的存在，爭位在服務(wù)型機(jī)器人行業(yè)中并沒有得到太多學(xué)者的研究，但在救援或者戰(zhàn)爭的環(huán)境下爭位機(jī)器人還是起到比較重要的地位。因此一些本學(xué)科的專家，提倡讓學(xué)生自主發(fā)揮想象力，使學(xué)生對機(jī)器人的研究更上一個(gè)臺階，同時(shí)提髙學(xué)生對機(jī)器人的興趣，培養(yǎng)學(xué)生良好的工作實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生對機(jī)器人技術(shù)的興趣和熱情。

中國機(jī)器人大賽是目前中國影響力最大、綜合技術(shù)水平最高的機(jī)器人學(xué)科競賽之一，是我國最具影響力、最權(quán)威的機(jī)器人技術(shù)大賽、學(xué)術(shù)大會(huì)和科普盛會(huì)，是當(dāng)今中國智能制造技術(shù)和高端人才的重大交流活動(dòng)。本次比賽是以TurtleBot機(jī)器人為硬件基礎(chǔ)的，讓我們更深一步的學(xué)習(xí)了TurtleBot的技術(shù)原理與應(yīng)用方法。

1 中國機(jī)器人大賽具體技術(shù)和規(guī)則要求

比賽規(guī)則是在Gazebo虛擬系統(tǒng)中，控制TurtleBot機(jī)器人。那么得分原則有如下兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)，能成功到達(dá)終點(diǎn)，則獲得基礎(chǔ)加分;

（2）機(jī)器人從起點(diǎn)到終點(diǎn)用時(shí)越短，加分越多。

因此要考慮兩個(gè)因素：

（1）如何讓機(jī)器人自助規(guī)劃路徑，使其能夠避開障礙物并且行駛到終點(diǎn);

（2）如何讓機(jī)器人規(guī)劃出最優(yōu)路徑，使其能夠在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)。

機(jī)器人大賽比賽規(guī)則見表1所列。

在此任務(wù)中，障礙位置由服務(wù)器在客戶端程序首次啟動(dòng)時(shí)給出，需要參賽選手對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行很好的控制，并制定好路徑規(guī)劃策略。在該任務(wù)中，將會(huì)有以下幾個(gè)任務(wù)點(diǎn)。

（1）場景一：有3個(gè)障礙物，分別位于1/4線，1/2線，3/4線。該場景下，最高分為10分，避開所有障礙得6分;最短時(shí)間者獲4分，第二名2分，第三名1分，其他人不得分。

（2）場景二：有6個(gè)障礙物，分別位于1/4線，1/2線，3/4線，每條線路上均有兩個(gè)障礙。該場景下，避開所有障礙得6分;最短時(shí)間者獲4分，第二名2分，第三名1分，其他人不得分。

（3）場景三：地面上隨機(jī)存在6個(gè)障礙物。該場景下，最高分為15分，避開所有障礙得11分，避開5個(gè)障礙得8分，避開4個(gè)障礙得5分;最短時(shí)間者獲4分，第二名2分，

第三名1分，其他人不得分。

（4）場景四：有5個(gè)障礙物，2個(gè)位于1/4線，2個(gè)位于3/4線，1個(gè)在1/2線處沿線隨機(jī)移動(dòng)。在該場景下，最高分為15分，避開所有障礙得11分，避開出移動(dòng)障礙物外所有障礙物并成功到達(dá)終點(diǎn)得7分;最短時(shí)間者獲4分，第二名2分，第三名1分，其他人不得分。

以上為本次比賽的規(guī)則，可見這個(gè)比賽的難度之大，要求之嚴(yán)格。

嚴(yán)格的要求中也有規(guī)則可循。障礙物的位置是固定的，而非移動(dòng)的。而且障礙物的坐標(biāo)是可以通過機(jī)器人的視覺獲取的。再一點(diǎn)，障礙物的形狀都是固定的，都是矩形的。因此避障算法只要解決兩個(gè)問題即可，第一就是要使機(jī)器人能夠獲取障礙物的位置坐標(biāo)，第二就是使機(jī)器人能夠根據(jù)已知的環(huán)境，規(guī)劃出合理路徑。

2 比賽機(jī)器人的準(zhǔn)備

2.1 硬件的準(zhǔn)備

在本次比賽中使用TurtleBot二代機(jī)器人作為硬件基礎(chǔ)。TurtleBot 2的硬件主要有Yujin Kobuki移動(dòng)底座、Kinect視覺傳感器、雙核筆記本、2 200 mA·h電池和可裝卸的結(jié)構(gòu)模塊。TurtleBot 2使用目前最流行的ROS（Robot Operating System）作為操作系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)3D建圖導(dǎo)航、跟隨等功能。機(jī)器人大賽TurtleBot機(jī)器人如圖1所示。

2.2 機(jī)器人中的物聯(lián)網(wǎng)感知和機(jī)器視覺

TurtleBot機(jī)器人裝有雙目視覺三維攝像頭和超聲波測距模塊。

攝像頭的作用是實(shí)現(xiàn)電腦與終端與機(jī)器人之間的物聯(lián)感知功能。攝像頭將拍攝的三維圖像傳送給數(shù)據(jù)處理電路，后者將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，將三維圖像分解為一個(gè)二維平面圖像和一組距離信號，方便計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)接收到機(jī)器視覺視覺獲取的數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)帶入到算法之中，先判斷是否運(yùn)行避障算法，再使用獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，執(zhí)行避障算法。算法執(zhí)行完畢后，將規(guī)劃好的路徑信息數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器人，機(jī)器人獲取路徑后，按照規(guī)劃好的路徑行駛。行駛過程中，繼續(xù)通過機(jī)器視覺獲取數(shù)據(jù)。重復(fù)上述過程，即可完成機(jī)器人與電腦終端之間的信息交互。實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺的物聯(lián)感知功能，實(shí)現(xiàn)人工算法對機(jī)器人的控制。

超聲波測距傳感器的作用是獲取機(jī)器人與障礙物之間的距離，并將距離數(shù)據(jù)傳送給電腦，與電腦中的通過三維圖像分解得來的距離信息進(jìn)行比較。一方面是保證距離信息的正確性，另一方面是在機(jī)器視覺測距功能發(fā)生故障時(shí)，代替視覺測距，提供準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)。

所謂的機(jī)器視覺與物聯(lián)感知，就是將三維視覺雙目三維攝像頭和超聲波傳感器作為感知層;將電腦終端與機(jī)器人之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層;Gazebo虛擬控制系統(tǒng)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模塊作為應(yīng)用層，搭建了一個(gè)嵌入式物聯(lián)網(wǎng)體系。

嵌入式物聯(lián)網(wǎng)體系搭建完成之后，就可以實(shí)現(xiàn)電腦終端與機(jī)器人之間的信息交互，協(xié)同工作。

2.3 軟件系統(tǒng)和策略設(shè)計(jì)

TurtleBot的可以接受ROS系統(tǒng)的控制指令，也可以將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如角速度，線速度等物理數(shù)值反饋給ROS系統(tǒng)，可以說ROS系統(tǒng)是TurtleBot運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此軟件環(huán)境搭建的第一步是電腦上搭建適合TurtleBot運(yùn)行的ROS環(huán)境。第二步是在ROS 環(huán)境中搭建Gazebo虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。Gazebo是一款3D動(dòng)態(tài)模擬器，能夠在復(fù)雜的室內(nèi)和室外環(huán)境中準(zhǔn)確有效地模擬機(jī)器人群。與游戲引擎提供高保真度的視覺模擬類似，Gazebo提供高保真度的物理模擬，其提供一整套傳感器模型，以及對用戶和程序非常友好的交互方式。

首先，安裝軟件運(yùn)行環(huán)境，包括ROS系統(tǒng)和Gazebo系統(tǒng)，具體步驟如下：

（1）sudo sh -c 'echo "deb http：//packages.ros.org/ros/ubuntu $（lsb_release -sc）main"> /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

（2）sudo apt-key adv --keyserver 'hkp：//keyserver.ubuntu.com：80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

（3）sudo apt-get update

（4）sudo apt-get install ros-kinetic-desktop-full

（5）sudo rosdep init

（6）rosdep update

（7）echo "source /opt/ros/kinetic/setup.bash">> ～/.bashrc

（8）source ～/.bashrc

（9）sudo apt-get install ros-kinetic-turtlebot-gazebo

依次運(yùn)行如下代碼之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)安裝一段時(shí)間，然后就可以運(yùn)行程序，運(yùn)行程序的同時(shí)還要調(diào)用大量文件。運(yùn)行步驟如下：

exportLD_LIBRARY_PATH=～/ros_scripts/plugin：$LD_LIBRARY_PATHroslaunch turtlebot_gazebo turtlebot_world.launch world_file：=/home/username/ros_scripts/world/world1-1（world_file：=your world_file's path）

這時(shí)Gazebo系統(tǒng)已經(jīng)可以啟動(dòng)。接下來的任務(wù)是在Gazebo系統(tǒng)中搭建比賽規(guī)定的環(huán)境。因此設(shè)置如下文件，使電腦能夠成為連接機(jī)器人硬件與控制軟件的服務(wù)器。

（1）how_to_run.py。該文件主要來寫參賽者想要如何控制小車的算法。

（2）robot.py。該文件主要是描述一個(gè)機(jī)器人類，在此處指的是小車。它有轉(zhuǎn)向和前進(jìn)等各種功能，詳細(xì)信息可見代碼中的注釋。

（3）robot_ser.py。機(jī)器人服務(wù)端，主要接受客戶端傳來的指令來與gazebo進(jìn)行交互。

（4）robot_cli.py。機(jī)器人客戶端，主要與服務(wù)端進(jìn)行交

互，從服務(wù)端獲取狀態(tài)等信息，也可以對服務(wù)端發(fā)送信息用以控制小車。

（5）clock_ser.py。服務(wù)端時(shí)間類，主要是記錄比賽時(shí)間，與客戶端時(shí)間統(tǒng)一。

（6）clock_cli.py?？蛻舳藭r(shí)間類，主要是記錄比賽時(shí)間，與服務(wù)端時(shí)間統(tǒng)一。

（7）judge.py。裁判系統(tǒng)，主要記錄比賽時(shí)間，機(jī)器人狀態(tài)是否越界，是否成功完成比賽等。

（8）world.world。生成場景信息的文件。

其中how_to_run.py是路徑規(guī)劃文件，需要參賽者自己進(jìn)行修改，使TurtlrBot機(jī)器人能夠合理的運(yùn)行，在Gazebo系統(tǒng)生成的地圖上完成任務(wù)。world.world文件是生成地圖的文件，并且后面加上編號，就可以生成參賽者想要的地圖。

3 路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)

路徑規(guī)劃在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)有多種算法可用，在本次比賽中采用計(jì)算量較小、實(shí)現(xiàn)比較容易的直角路線走法實(shí)現(xiàn)，即無數(shù)個(gè)直角組成的路徑。機(jī)器人首先向正前方行駛，檢測到前方有障礙物靠近時(shí)，執(zhí)行避障算法。當(dāng)檢測到障礙物遠(yuǎn)離時(shí)，結(jié)束這條避障算法。當(dāng)再次檢測到前方有障礙物靠近時(shí)，再次執(zhí)行避障算法。

在執(zhí)行避障算法的過程中，首先要利用機(jī)器人的機(jī)器視覺，獲取障礙物的三位圖像。然后將三維圖像以模擬信號的形式存儲(chǔ)下來，再將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，將三維圖像轉(zhuǎn)化為二維平面圖像，用于判斷障礙物的形狀。再從三維圖像中獲取機(jī)器人與障礙物的距離，用于規(guī)劃整體的避障路徑。

機(jī)器人在運(yùn)行直角走法的過程中，并非像弧線算法那樣一次性規(guī)劃好整個(gè)路徑，而是每走一步，規(guī)劃一步，即每遇到一次障礙物，就要先判斷轉(zhuǎn)向方向，再規(guī)劃避開這個(gè)局部障礙的路徑。直角路線算法如圖2所示。

圖3所示為直角走法的運(yùn)行結(jié)果，機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)之后，成功到達(dá)終點(diǎn)。紅線標(biāo)識的是機(jī)器人的行走路徑。

直角走法的算法優(yōu)點(diǎn)是出錯(cuò)率低，容錯(cuò)率高。只要根據(jù)不同的地形，不同的障礙物形狀，一步一步地規(guī)劃路徑，一定能走到目標(biāo)地點(diǎn)。缺點(diǎn)是用時(shí)長，時(shí)間復(fù)雜度高。由于要逐步規(guī)劃路徑，因此機(jī)器人每走一段距離就要停頓一下，規(guī)劃下一步的路徑，耗時(shí)長。況且比賽規(guī)則是用時(shí)越短，得分越高，因此直角規(guī)劃算法雖然能保證完成路徑，但不能保證快速完成。

4 結(jié) 語

機(jī)器人在運(yùn)行直角走法的過程中，每走一步，規(guī)劃一步。直角走法適用于障礙物分散、數(shù)量多、體積小的避障環(huán)境，保證機(jī)器人能夠穩(wěn)定地越過障礙物，完成避障。實(shí)際環(huán)境中，障礙物會(huì)是不同形狀，不同顏色。這就需要在三個(gè)方面改進(jìn)機(jī)器人的避障策略：一是要增強(qiáng)機(jī)器視覺的識別能力，讓機(jī)器視覺能夠識別不同顏色、形狀復(fù)雜的障礙物;二是增加機(jī)器視覺的捕捉能力，能夠捕捉到移動(dòng)障礙物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，方便機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)避障;三是增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理程序的魯棒性和自洽性，使其在獲取上述復(fù)雜數(shù)據(jù)后，依然能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將獲取的數(shù)據(jù)帶入路徑規(guī)劃算法之中。后續(xù)的比賽中將會(huì)從這三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

注：本文通訊作者為解迎剛。

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