基于ROS的移动机器人自动导航设计.pdf

鄢国家自然基金渊62104267冤曰浙江省大学生新苗人才计划渊2022R474A001冤曰国家级创新创业学院建设校级教改研究项目渊CY20221101冤曰金华市公益性技术应用研究项目渊20224014冤随着集成电路和通信技术的迅速发展袁人民生活水平的逐渐提高袁机器人越来越多地出现在人们的视野当中袁无论是教育行业尧医疗行业尧先进制造行业或是其他社会各行各业咱1-3暂袁都对机器人有着前所未有的需求袁机器人的智能化发展体现出多维升级的态势遥 人们对机器人功能需求日益复杂化袁对代码复用性尧模块化的发展提出迫切要求袁 机器人应用技术发展还有很大的拓展空间遥 2007 年袁Willow Garageh 首次提出开源机器人操作系统渊Robot Operating System袁ROS冤遥 ROS 具有高度灵活性的软件架构袁 专门服务于机器人软件程序编写以及底层硬件驱动袁包含了大量工具软件尧库代码和约定协议袁旨在降低跨机器人平台创建复杂机器人行为过程的难度袁提高产品迭代升级效率遥ROS 机器人引起学者的广泛关注袁 并涌现出众多研究成果遥 文献咱4暂提出了一种育婴机器人模型结构袁为机器人在育婴服务方面提供方案曰文献咱5暂提出一种利用调度软件控制消杀机器人实现定点导航功能袁优化后疫情时代医院消杀工作袁但以上方案存在地图构建不精确以及导航速度慢的问题遥基于此袁本文提出一种移动机器人自动导航方案袁提高机器人运行效率遥员系统架构设计本文利用视觉模块尧 定位服务和路径规划技术袁 实现基于ROS 的移动机器人自动导航设计袁如图 1 所示遥 首先实现移动机器人的模型搭建袁 将机器人描述格式文件 渊Unified RobotDescription Format袁URDF冤集成至 gazebo 模拟器袁通过 rviz实现移动机器人模型尺寸可视化曰 采用 gmapping 算法构建三维地图并在 rviz 工具中显示袁navigation 功能包中自适应蒙特卡洛算法渊Adaptive Monte Carlo 蕴ocalization袁AMCL冤和导航算法袁实现移动机器人定位服务和导航功能遥最后通过设置 2DNav Goal 目标点袁 使机器人在自动行进中采集并构建地图袁绘制地图保存至 map_server 文件遥 实验结果证明所设计机器人能精准完成自动导航功能袁证实方案的可行性遥图 1系统框架圆移动机器人设计圆.1 模型设计为提高代码复用率袁通过 URDF 和 xacro 创建机器人模型袁实现底盘尧驱动轮尧支撑轮等基础外形袁以及摄像头和雷达等必要设备遥 使用 collision尧inertial 和 material 标签袁分别提供碰撞检测的依据袁用于力学相关的仿真计算以及设置颜色袁然后编写封装惯性矩阵算法遥 最后集成至 launch 文件袁 通过直接加载xacro 文件袁 运行 launch 文件能够在 rviz 中显示的移动机器人模型袁如图 2 所示遥圆.2 地图构建利用 SLAM 中 gmapping 算法构建地图袁蒙特卡洛(adap鄄tive Monte Carlo Localization袁 AMCL)算法实现地图服务袁通过 ACML 算法可以实现机器人的概率定位袁即从已有地图当中使用电子滤波器获取机器人在某一时刻所处的位置信息遥 编写相关节点 launch 文件袁包含订阅和发布的话题尧初始化全局定基于 ROS 的移动机器人自动导航设计鄢苏瑞芳渊金华市妇幼保健院袁浙江 金华 321000冤刘富陈拓陈鑫辉祝贺渊金华职业技术学院 信息工程学院袁浙江 金华 321007冤Design of Automatic Navigation for Mobile Robot Based on ROS摘要院针对移动机器人存在地图构建不精准尧自动导航速度慢的问题袁提出了一种基于开源 ROS 的移动机器人自动导航方案遥 该方案构建移动机器人模型袁利用摄像头和雷达传感器采集关键环境信息袁采用 SLAM 算法精准构建三维地图曰通过Monte Carlo 算法对粒子滤波概率进行计算实现定位服务袁navigation 功能包实现行进路径规划袁 实现移动机器人的自主导航即设定目的地遥 实验结果表明袁所设计机器人能够自行计算并规划避障路线到达目标位置袁具有一定的工程应用价值遥关键词院机器人操作系统曰雷达曰视觉计算曰自主导航Abstract:Aiming at the problems of inaccurate map construction and slow automatic navigation of mobile robots,anautomatic navigation scheme for mobile robots based on open source ROS is proposed in this paper.The program builds amobile robot model,uses cameras and radar sensors to collect key environmental information,and uses SLAM algorithms toaccurately build three-dimensional maps.The Monte Carlo algorithm is used to calculate the probability of the particle filterto realize the positioning service,and the navigation function package realizes the planning of the travel path,and realizesthe autonomous navigation of the mobile robot,that is,the setting of the destination.The experimental results show that thedesigned robot can calculate and plan the obstacle avoidance route to reach the target position by itself,which has certainengineering application value.Keywords:ROS,radar,visual computing,autonomous navigation基于 ROS 的移动机器人自动导航设计72叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期位的服务等袁调用此服务获取地图数据尧机器人尧地图和里程计坐标系的参数以及坐标变换袁 根据机器人里程计数据和激光雷达数据绘制栅格地图遥 部分代码院启动 gazebo 仿真环境袁 再启动地图绘制的 launch 文件遥启动键盘控制节点袁用于控制移动机器人运动建图袁在 rviz 中可以显示 gmapping 发布的栅格地图数据袁如图 3 所示遥在具体的现实应用当中袁需要将栅格地图存储于计算机磁盘中袁地图的保存和读取采用 map_saver 和 map_server 两个节点袁 将磁盘中栅格地图做保存和读取操作遥图 3自主定位和地图构建圆.3 路径规划ROS 中 move_base 功能包提供了基于动作的路径规划实现遥 基于该功能包编写 launch 文件袁部分代码如下院然后袁编写机器人的尺寸尧距离障碍物的安全距离尧传感器信息袁 全局和局部代价地图参数配置以及局部规划器参数配置袁设定机器人的最大和最小速度限制值和加速度的阈值遥 最后袁编写集成地图服务尧AMCL尧move_base 与 rviz 文件实现导航功能遥猿系统测试为验证所提系统方案袁本文分别进行仿真和实验测试遥在长为 8 m尧宽为 6 m 的房间设置一定的路障袁测试地图构建及自动导航功能遥 实验环境为 Ubuntu 20.04 系统袁ROS 版本为Noetic袁i5 处理器遥猿.1 自动导航仿真测试实际生活中环境较为复杂袁往往存在多种形状的障碍物遥本文在 launch 中启动 gazebo 并添加移动机器人模型后袁在地图中随机放置正方体尧圆柱体等形状来模拟障碍物遥 打开 rviz袁在displays 中选择 Map尧LaserScan尧Odometry袁使激光雷达的范围可视化遥通过设置目标点使机器人自主构建地图袁并保存至硬盘袁如图 4a 所示遥 导航时袁加载扫描地图袁采用蒙特卡洛算法定位机器人位置和姿态袁即可实现自动导航功能袁如图 4b 所示遥图 4室内导航仿真测试猿.2 自动导航实验测试实验小车如图 5 所示袁 具体配置为院 越野底盘 XT-RC R31/8袁前后轮带有差速器遥 有感无刷电机 M1-KV2150袁姿态传感器型号为 IMU-03A袁激光雷达 LS01X袁测量量程解析度 0.1%袁同时配备工业级摄像头 XT-Camera-U1袁提高地图构建精度遥图 5机器人实物根据机器人实物配置袁 采用 ros_arduino_bridge 功能包编写 Arduino袁从而控制电机驱动系统和底盘袁实现机器人前进尧后退等状态控制遥 图 6a 为机器人构建地图过程袁并以此实现机器人自动导航功能袁如图 6b 所示遥渊下转第 76 页冤图 2可视化模型73渊上接第 73 页冤图 6室内导航实验测试源结束语自动导航是移动机器人的关键技术袁 涉及大量复杂的底层硬件代码和计算处理遥本文通过基于 ROS 仿真实现自主移动和绘制建图袁经过模型搭建与集成尧地图构建尧定位服务尧路径规划袁实现了机器人朝特定地点的自动导航功能遥后续我们将基于硬件平台深入研究袁实现机器人在更加复杂环境下的自动导航遥参考文献咱1暂王昱琪袁熊绍托袁齐岩松袁等.物流分拣机器人设计咱J暂.科技风袁2022渊36冤院1-3咱2暂严毓培袁尹雪梅袁汤佩豫袁等.一种仓库搬运机器人的设计与实现咱J暂.电子产品世界袁2022袁29渊12冤院16-23袁93咱3暂彭雪斌袁易艺袁周联浩袁等.基于 ROS 的大棚除草机器人设计咱J暂.计算机测量与控制袁2022袁30渊11冤院199-203袁212咱4暂刘玉佼袁杨一潇袁徐淑琼袁等.基于 ROS 的育婴机器人设计与仿真咱J暂.现代信息科技袁2022袁6渊23冤院160-164袁169咱5暂宋鑫鹏袁赵倩.基于 ROS 和 SLAM 的无人消杀机器人系统设计咱J暂.自动化仪表袁2023袁44渊1冤院61-65袁71咱收稿日期院圆园圆猿-02-06暂表 4用背驰定律设计的渊怨冤式二次优化控制系统的性能指标图 21%=1%袁2%=2.8642%曰1%=1%袁2%=3.2424%袁驻K2=-50%时系统的响应图 31%=2%袁2%=2.1356%曰1%=2%袁2%=3.1335%袁驻K2=-50%时系统的响应猿结束语我们通过实验验证了背驰定律在双容不稳定 TOC 系统上的适用性袁并且根据背驰定律发现第一次超调选择较小袁第二次超调选择更大的控制系统会增强抗干扰能力袁强壮性阈值更大袁系统越稳定遥 该研究结果在工业应用中有重大意义遥参考文献咱1暂王建鹏袁张森袁刘宁.二阶不稳定时滞过程的二自由度 Smith 预估控制咱J暂.太原科技大学学报袁2020袁41渊2冤院118-123咱2暂项国波.时滞系统优化控制咱M暂援北京院中国电力出版社袁2009院67原111咱3暂杨益群袁项国波援单变量时滞系统优化控制咱J暂援武汉理工大学学报:自然科学版袁2007袁29渊5冤院207原210咱4暂Yang Y Q,Xiang G B援 Global satisfactory control for nonlinearintegrator process with long delay 咱J暂援 Journal of ControlTheory and Applications,2007,5(2):125-129咱5暂杨益群袁项国波袁杨启文援双容纯时滞系统两次优化控制的背驰定律咱J暂援信息与控制袁2004袁33渊5冤院550原553咱6暂钱业青袁项国波援纯时滞两次 ITAE 优化控制系统的背驰定律咱J暂援信息与控制袁2000袁29渊3冤院211原218咱7暂项国波袁杨益群袁杨启文援一类单容纯时滞系统二次优化控制咱J暂援信息与控制袁1995袁24渊4冤院209原214咱8暂杨益群袁项国波.纯时滞系统的二次优化控制进展咱J暂援计算机仿真袁2002袁19渊5冤院122-125咱9暂杨益群袁项国波.新的 ITAE 最佳传递函数标准型咱J暂.信息与控制袁1997袁26渊4冤院259-265咱收稿日期院圆园圆2-12-14暂图 41%=1%袁2%=3.2424%曰1%=5%袁2%=2.7996%袁驻K2=-50%时系统的响应一类不稳定时滞系统二次优化控制的背驰定律76