基于激光雷達和高德地圖的移動機器人平臺設計

2019-09-03 07:44:38龍天瑤黃元輝

自動化與儀表 2019年8期

黃虎，黃鵬，鐘山，龍天瑤，黃元輝

（1.成都理工大學信息科學與技術學院，成都 610059；2.成都理工大學核技術與自動化工程學院，成都 610059）

近年來，機器人技術得到飛速發展，已經應用到無人駕駛、物流、工業等相關領域。自主導航與避障技術作為機器人的關鍵技術，主要包含有定位、建圖和路徑規劃3個方面。其中，前2個方面稱為實時定位與建圖SLAM，通常需要激光雷達、攝像頭及超聲波傳感器等傳感器，對環境進行感知而進行建圖[1-2]；第3個方面稱為路徑規劃，是指在復雜的環境中，滿足一定的約束條件下，如行走路徑的長度短、路徑的代價低、時間短等，找到一條從指定起始位置到指定目標位置的安全、無碰撞的優化路徑[3-4]。目前主流移動機器人的路徑規劃多用于室內進行自主導航。而室外復雜環境下的路徑規劃，難度較大且成本較高。尋找低成本實現室外遠距離路徑規劃的算法，一直是當前路徑規劃的研究熱點之一。

高德地圖Amap開放平臺是一個集定位、導航、路線規劃、搜索等功能的，成熟的開源性平臺[5]。它能夠高效地進行全局靜態路徑規劃，但不適用于局部路徑的動態規劃。故在此提出一種新的路徑規劃方式，并設計了基于激光雷達與高德地圖的移動機器人平臺，將機器人操作系統ROS的局部動態路徑規劃與高德地圖的全局路徑規劃相結合，實現了機器人室外遠距離路徑規劃與導航避障。

1 系統工作原理

ROS是一個適用于機器人的開源的操作系統[6-7]。它提供了操作系統應有的服務，包括：硬件抽象，底層設備控制，常用函數的實現，進程間消息傳遞，以及包管理。它也提供用于獲取、編譯、編寫，以及跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數。在此主要使用move_base包，訂閱激光雷達、map地圖、amcl的定位等消息，規劃出全局和局部路徑，將路徑轉化為機器人的速度信息，最終實現機器人導航[8-9]。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Systematic block diagram

首先，通過遠程終端輸入目的地，將目的地坐標信息通過4G網絡傳輸到平板電腦，平板電腦上運行的基于高德地圖應用程序編程接口API（application programming interface）的導航 App，通過 GPS定位當前所在位置進行全局的靜態路徑規劃，并將路徑分割為多段，每段端點作為子目標點。通過迭代將子目標點依次送入移動機器人平臺中，作為機器人的當前目標點。移動機器人平臺利用激光雷達和里程計等傳感器進行SLAM，通過D*算法規劃出一條到子目標點動態路徑[10-11]，并將速度信息傳回STM32，驅動機器人平臺移動，實現移動機器人室外遠距離導航與避障。

2 硬件選擇及實現

2.1 樹莓派

樹莓派Raspberry Pi是一種基于ARM的微型電腦主板，擁有體積小、功能豐富等優點，可以運行完整的操作系統[12]。在此，選用樹莓派3代B型作為主控，它擁有1.2 GHz的主頻，1 GB內存，能滿足開發的需求。在樹莓派上安裝Ubuntu mate系統，并運行ROS，通過串口和STM32進行通信，并處理各傳感器數據。

2.2 激光雷達

激光雷達作為移動機器人感知環境的主要傳感器，通過發射和接受激光掃描周圍環境，并將環境信息轉換為點云數據。在此，選用思嵐A1激光雷達，掃描范圍廣，掃描精度較高，能準確地將周圍環境轉換為點云數據，通過串口傳送給ROS中，滿足該設計的開發需求。激光雷達參數見表1。

表1 激光雷達參數Tab.1 Lidar parameters

2.3 STM32及相關傳感器

采用STM32F103C8T6作為底層驅動MCU，對IMU進行解算，得到移動機器人平臺角速度；通過編碼器進行解算，得到移動機器人平臺線速度。對角速度和線速度進行積分，得到里程計信息，將該信息通過串口發送至ROS上層，同時STM32通過串口接收ROS上層發送的速度指令并執行，驅動電機使機器人移動。模塊間的數據通信如圖2所示。

2.4 平板電腦

圖2 模塊數據通信Fig.2 Module data communication

選擇安卓系統的平板電腦，運行基于高德地圖API的導航軟件。平板電腦內置有GPS定位模塊與基站定位模塊，可以定位當前機器人位置。內置4G通信模塊，可以通過遠程客戶端對移動機器人進行位置監測和發出目的地指令。結合自身位置與目標點指令，規劃、分割路徑，并通過串口通信將子目標點迭代發送至ROS，進行全局導航。

3 軟件及相關算法

3.1 導航軟件

該平臺通過使用高德地圖開放平臺的接口，開發出一款導航App。在平板電腦上通過4G信號接收終端發來的目的地指令，在原高德地圖路徑規劃的基礎上，將路徑分割為多段，并提取每段路徑端點的經緯度坐標，將其通過串口通信發送至ROS中，便于ROS進行下一步數據處理。同時，通過4G通信發送實時位置到終端，便于終端查詢機器人位置。軟件導航界面如圖3所示。

圖3 導航軟件界面Fig.3 Navigation software interface

3.2 導航App與ROS平臺數據融合

為使導航App的數據能夠指導移動機器人平臺的運動，以移動機器人平臺的出發點為坐標原點，建立了世界坐標系。導航App將路徑端點的經緯度數據通過串口發送給移動平臺，系統將經緯度坐標轉換為世界坐標系上的坐標[13]，同時系統將編碼器和磁力計數據也轉換為世界坐標，實現數據轉換。

以正北為y軸正方向，正東為x軸正方向，編碼器及磁力計數據轉換如下：設由編碼器獲得的速度為v，從磁力計獲取的角度為θ，則轉換的坐標分別為

經緯度的數據轉換以A，B兩點為例：設A，B點的經度分別為 LonA，LonB；維度分別為 LatA，LatB。坐標轉換如圖4所示。

圖4 坐標轉換示意圖Fig.4 Diagram of coordinate transformation

可以計算得：

3.3 數據誤差處理

由于受地形，基站和GPS信號等影響，經緯度坐標轉換存在一定隨機誤差。因此單獨采用經緯度坐標估計移動平臺位置是不準確的。使用ROS中robot_pose_ekf擴展卡爾曼濾波融合包，對來自imu[14-16]，里程計和經緯度坐標的nav_msgs/Odometry消息進行監聽，經過多傳感器融合，使經緯度坐標隨機誤差的影響大大下降，能夠用以測算移動平臺的實際位置。