基于ROS的自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

文/孟清 斯琴高娃

1 自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人

1.1 背景及意義

伴隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能終端、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和機(jī)器人等各項(xiàng)技術(shù)得到突破性進(jìn)展。如今，越來越多的自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人具備視覺跟隨、自主巡航和語音交互等新型控制方式，人機(jī)交互方式愈來愈人性化，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)或生活的各領(lǐng)域，給社會(huì)帶來了極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，受到人們的廣泛關(guān)注。

隨著娛樂機(jī)器人、陪伴機(jī)器人和運(yùn)貨機(jī)器人等各類服務(wù)機(jī)器人不斷出現(xiàn)，不同類型的機(jī)器人編寫控制程序這一工作變得越來越繁重。主要是由于不同類型的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案不同,底層各種接口也大不盡相同，但是不管何種類型的機(jī)器人其基本算法和控制機(jī)制是一致的，因此設(shè)計(jì)一種易于擴(kuò)展的自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)框架，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 相關(guān)技術(shù)及介紹

1.2.1 ROS機(jī)器人軟件平臺(tái)

ROS(Robot Operating System）是一個(gè)機(jī)器人軟件平臺(tái)，其前身是斯坦福人工智能實(shí)驗(yàn)室為了支持斯坦福智能機(jī)器人STAIR而建立的交換庭(switchyard）項(xiàng)目，它是一種分布式模塊化的開源軟件框架, 提供一些標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)。其目的在于提高軟件代碼的復(fù)用率,基本服務(wù)包括硬件抽象，底層設(shè)備控制，進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理等常用功能，很好的解決了機(jī)器人控制程序開發(fā)過程中代碼冗余、移植性差等問題。

目前ROS主要支持Ubuntu。ROS可以分成兩層，底層是操作系統(tǒng)層，實(shí)現(xiàn)上面所述基本服務(wù)功能。高層則是應(yīng)用層，為廣大用戶群貢獻(xiàn)的實(shí)現(xiàn)不同功能的各種軟件包，例如定位繪圖，行動(dòng)規(guī)劃，感知和模擬功能包等等。

2 三層體系架構(gòu)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為滿足自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理和移動(dòng)避障等等各種通用功能，基于處理器的不同運(yùn)算能力，設(shè)計(jì)了一種易于擴(kuò)展的三層結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)框架。人機(jī)交互前端層采用具備簡(jiǎn)單運(yùn)算能力的普通平板電腦，負(fù)責(zé)人機(jī)交互，包括語音、視頻、圖片和文字信息交互，接受和反饋系統(tǒng)信息；核心中間層采用具備較強(qiáng)運(yùn)算能力的小型電腦，安裝Ubuntu系統(tǒng)并搭建ROS機(jī)器人軟件平臺(tái),負(fù)責(zé)機(jī)器人算法計(jì)算；硬件驅(qū)動(dòng)底層采用較低運(yùn)算能力的STM32控制器,通過程序設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、硬件驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人開關(guān)機(jī)等任務(wù)。

基于以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行擴(kuò)充。比如通過添加攝像頭得到周圍的圖像數(shù)據(jù)，傳輸?shù)胶诵闹虚g層采用較高運(yùn)算能力的小型電腦進(jìn)行分析，并可以完成地圖構(gòu)建、尋跡和避障等復(fù)雜計(jì)算功能。同時(shí)還可在根據(jù)用戶需求,由簡(jiǎn)單運(yùn)算能力的普通平板電腦完成視頻監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控、人臉識(shí)別、機(jī)器人控制等前端功能,實(shí)現(xiàn)易于擴(kuò)展的自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的平臺(tái)?；谌龑咏Y(jié)構(gòu)的自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)框架見圖1。

2.2 人機(jī)交互前端層

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最前端是人機(jī)交互平臺(tái)，由普通平板電腦、高清攝像頭、觸摸傳感器、聲音收集和播放等設(shè)備構(gòu)成；普通平板電腦主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互，包括人臉識(shí)別、語音交流以及觸摸界面文字圖片等功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和呈現(xiàn)，并通過Wi-Fi與云端服務(wù)器、核心中間層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.3 核心中間層

核心中間層主要是由一臺(tái)較強(qiáng)運(yùn)算能力的小型電腦（迷你PC）組成，是自主移動(dòng)機(jī)器人的策略中心，數(shù)據(jù)處理和算法核心都在該P(yáng)C上實(shí)現(xiàn)。通過基于ROS的程序設(shè)計(jì),完成傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理與信息融合、地圖構(gòu)建、自主移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和避障算法、各類串口數(shù)據(jù)接收與解析、數(shù)據(jù)打包與串口發(fā)送等功能。該P(yáng)C上安裝Ubuntu系統(tǒng)并搭建ROS機(jī)器人軟件平臺(tái)，并通過Wi-Fi與云服務(wù)器、人機(jī)交互前端層的普通平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1：自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)框架

2.4 硬件驅(qū)動(dòng)底層

硬件驅(qū)動(dòng)底層為自主移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行單元，包含了底層STM32控制器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器和傳感器等其他硬件驅(qū)動(dòng)?？刂破鱏TM32通過程序設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人開關(guān)機(jī)、電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)、利用機(jī)器人中各中傳感器驅(qū)動(dòng)程序完成數(shù)據(jù)收集等功能。

4 結(jié)束語

人工智能是引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性技術(shù)，目前我國正在加緊出臺(tái)規(guī)劃和政策，圍繞核心技術(shù)、頂尖人才、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等強(qiáng)化部署，力圖在新一輪國際科技競(jìng)爭(zhēng)中掌握主導(dǎo)權(quán)。繼2017年7月國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》后，2018年4月教育部發(fā)布《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，也就是說在未來十年內(nèi)，“信息技術(shù)”必然被“人工智能技術(shù)”所取代。目前，具備視覺跟隨、自主巡航和語音交互等新型控制方式的自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛，本文設(shè)計(jì)的易于擴(kuò)展的三層自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)框架，為自主移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用發(fā)展，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。