基于SLAM技術(shù)的雙控制器智能機(jī)器人

蔣江紅，張鍥石

(1.陜西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119；2.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 集成所，廣東 深圳 518055;3.香港中文大學(xué)(深圳)，廣東 深圳 518055)

0 引 言

智能機(jī)器人種類繁多，目前應(yīng)用比較廣泛的為輪式移動(dòng)機(jī)器人，其主要是由微機(jī)控制的智能車輛[1-2]。輪式移動(dòng)機(jī)器人z主要應(yīng)用于室內(nèi)或庫房的巡邏、行星探測、教學(xué)、科研以及民用運(yùn)輸?shù)确矫?。具備在環(huán)境信息感知基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和自定位成為輪式移動(dòng)機(jī)器人的必備功能，同時(shí)也是此領(lǐng)域機(jī)器人的研究重點(diǎn)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)估計(jì)和建圖算法中SLAM算法起到了關(guān)鍵作用[3]，通過優(yōu)化慣性測量單元獲取的機(jī)器人的位姿信息來提升SLAM算法的精度[4]。基于SLAM技術(shù)，文中設(shè)計(jì)了一個(gè)可以在陌生場景下完成環(huán)境感知、定位、地圖構(gòu)建、動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制等自主控制的機(jī)器人系統(tǒng)。不僅可以用于安防監(jiān)控、危險(xiǎn)場所巡檢、外星球探測、家庭服務(wù)、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域，同時(shí)為相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者提供了一個(gè)完整的研究平臺(tái)?？蒲泄ぷ髡呖梢詫γ恳荒K的算法進(jìn)行替換和改進(jìn)，從而不斷提升該移動(dòng)輪式機(jī)器人的性能。

1 系統(tǒng)總體方案

整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)主要由底層運(yùn)動(dòng)控制器、智能控制器和移動(dòng)控制終端三部分構(gòu)成。為了提高智能機(jī)器人的工作效率，機(jī)器控制系統(tǒng)采用雙控制器結(jié)構(gòu)，其中Arduino控制器用于移動(dòng)機(jī)器人的速度控制和傳感數(shù)據(jù)的采集，負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)與轉(zhuǎn)向等具體動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)；智能控制器采用全志A31S開發(fā)板，主要負(fù)責(zé)激光雷達(dá)和攝像頭數(shù)據(jù)的采集，并進(jìn)行分析處理形成相應(yīng)的控制指令傳到運(yùn)動(dòng)控制器，另外結(jié)合采集的數(shù)據(jù)，利用SLAM技術(shù)來進(jìn)行路徑規(guī)劃和地圖構(gòu)建并將生成的地圖實(shí)時(shí)傳到移動(dòng)控制終端；移動(dòng)控制終端用于地圖的顯示以及人機(jī)交互。采用這種架構(gòu)可以使得設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人在軟硬件方面便于移植、裁剪和進(jìn)行功能上的擴(kuò)展[5]。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型

文中設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人為輪式移動(dòng)智能小車，機(jī)器人部件包含車輪、電機(jī)、光電編碼器、視覺傳感器、激光雷達(dá)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源控制模塊等組件。機(jī)器人采用差速轉(zhuǎn)向，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，對運(yùn)動(dòng)過程中各類參數(shù)進(jìn)行調(diào)整才能使機(jī)器人在控制下進(jìn)行移動(dòng)[6]，為了方便控制，移動(dòng)速度一般在1 m/s左右[7]。綜合實(shí)用性、簡潔性和線路布線易實(shí)現(xiàn)等因素，將車輪、電機(jī)、電源控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)置于車體底層，將電源、卡片電腦與攝像頭置于車體中間層。根據(jù)激光雷達(dá)的工作原理，將其置于車體頂層，可以有效地提高系統(tǒng)定位的精度。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物

2.2 傳感器組成

移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)搭載了視覺傳感器(攝像頭)、激光雷達(dá)和慣性測量單元(IMU)等主要傳感器，為了能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在狹小空間內(nèi)自主導(dǎo)航避障，機(jī)器人所采用的激光雷達(dá)每秒采集數(shù)據(jù)高達(dá)4 000點(diǎn)，采集范圍達(dá)到6米，精度為毫米級(jí)。激光雷達(dá)的工作原理類似于聲吶，工作時(shí)發(fā)射器發(fā)送經(jīng)過調(diào)制的紅外激光束，激光遇到障礙物體后會(huì)有部分激光反射回來被接收視覺采集系統(tǒng)接收物體與雷達(dá)中心的距離以及當(dāng)前距離的夾角信息，并通過通信接口輸出。激光雷達(dá)環(huán)境掃描范圍如圖3所示。

圖3 激光雷達(dá)掃描輪廓

將激光雷達(dá)和攝像頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，可以避免單個(gè)傳感器的局限性并有效地提高機(jī)器人定位導(dǎo)航的精度，通過視覺回環(huán)檢測可以降低累計(jì)誤差[8-9]。視覺傳感器得到的環(huán)境深度信息能夠匹配到激光雷達(dá)構(gòu)建的2D地圖上，因此可以利用激光雷達(dá)和視覺融合信息發(fā)現(xiàn)單個(gè)傳感器所不易發(fā)現(xiàn)的障礙物，結(jié)合激光雷達(dá)得到的邊緣深度和相機(jī)圖像中的深度進(jìn)行自動(dòng)對齊[10]，提高移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃和避障性能。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制器系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的搭建

智能控制器軟件平臺(tái)采用操作系統(tǒng)Ubuntu12.04LTS，在該操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立ROS框架。ROS系統(tǒng)提供了編譯、鏈接和運(yùn)行代碼的工具與庫函數(shù)[11-12]，通過創(chuàng)建一個(gè)用Arduino控制小車動(dòng)作的ROS話題，并將該控制算法提前寫入Arduino中，小車在行進(jìn)過程中，采用ORB-SLAM2算法[13]不斷從話題中讀取采集到的實(shí)時(shí)圖像信息，首先定位出自身所處的位置，然后再得到實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡并繪出所處環(huán)境的地圖信息。

3.2 地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃

智能機(jī)器人主要通過激光雷達(dá)、視覺傳感器、光電編碼器，驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)、控制器和移動(dòng)控制終端等來完成整體控制。通過慣性測量單元和傳感器采集到的數(shù)據(jù)，利用卡爾曼濾波器[14]和PID控制算法來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的速度控制[15]。采用卡片電腦作為智能控制平臺(tái)，數(shù)據(jù)的采集主要由激光雷達(dá)和光電編碼器完成，將所獲得的數(shù)據(jù)通過一系列的算法完成環(huán)境輪廓掃描、地圖構(gòu)建和自主定位等操作。通過自主設(shè)計(jì)的機(jī)械控制與嵌入式智能控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)高效的機(jī)器人姿態(tài)獲取，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航。

使用激光雷達(dá)作為主要的環(huán)境感知途徑，即使在光線條件較差的情況下仍可以工作。由于采用了高分辨率攝像頭和激光雷達(dá)兩種環(huán)境信息采集工具，機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可以在黑夜與白天兩種環(huán)境下正常工作。并且機(jī)器人具有數(shù)據(jù)回傳功能、自主運(yùn)動(dòng)功能，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離自主或者人為控制下的環(huán)境探索。

整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的工作流程為：移動(dòng)控制終端發(fā)布運(yùn)動(dòng)控制和地圖構(gòu)建指令，卡片電腦接收到指令后開始工作?？ㄆ娔X根據(jù)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建，通過一系列算法實(shí)現(xiàn)定位與路徑規(guī)劃，而后通過USB信號(hào)總線傳輸控制信號(hào)至Arduino控制板，運(yùn)動(dòng)控制板接收卡片電腦傳來的控制信號(hào)，輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(PWM)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板輸出電流，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。光電編碼器利用碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸出脈沖電信號(hào)，經(jīng)比例運(yùn)算后通過Arduino控制板傳到卡片電腦，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人車輪運(yùn)動(dòng)情況的采集。機(jī)器人通過視覺傳感器接收圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息整合與數(shù)據(jù)反饋分析，采用SLAM算法先對小車進(jìn)行定位，然后生成小車所處環(huán)境的地圖，最后小車可以根據(jù)地圖上的路徑規(guī)劃行駛，避開障礙物。系統(tǒng)的控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制流程

機(jī)器人采用柵格地圖作為地圖模型，由于柵格地圖易于創(chuàng)建和維護(hù)且每個(gè)柵格的信息可以和對應(yīng)的環(huán)境中的某個(gè)區(qū)域所對應(yīng)，便于處理超聲波測量數(shù)據(jù)和激光測量數(shù)據(jù)，適用于室內(nèi)和未知環(huán)境下的地圖構(gòu)建。

利用激光雷達(dá)采集的二維幾何信息，可以提取點(diǎn)云密度及距離信息，并將其存儲(chǔ)到一個(gè)二維的柵格地圖中。

圖5 路徑規(guī)劃

基于柵格地圖[16]實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的步驟為：

(1)獲取智能機(jī)器人當(dāng)前的位姿狀態(tài)并進(jìn)行采樣；

(2)根據(jù)每個(gè)采樣的速度來計(jì)算機(jī)器人以該速度行駛一段時(shí)間后的狀態(tài)及相應(yīng)的移動(dòng)路徑；

(3)利用一些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為多條路線打分，從而選擇最優(yōu)路徑；

(4)重復(fù)上述過程。測試效果如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

文中設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人采用的硬件平臺(tái)為全志A31S卡片電腦和Arduino控制板，其中卡片電腦主要用于地圖構(gòu)建和路徑規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)，Arduino用于控制智能小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。為了便于后期智能機(jī)器人功能的擴(kuò)展，Arduino開發(fā)板主要用于機(jī)器人電機(jī)控制以及超聲波傳感器等數(shù)據(jù)的采集；將Arduino利用USB接口連接至卡片電腦，卡片電腦通過ROS操作系統(tǒng)讀取Arduino開發(fā)板采集到的機(jī)器人速度信息和傳感器數(shù)據(jù)，從而控制機(jī)器人的電機(jī)，使機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。機(jī)器人通過激光雷達(dá)和視覺傳感器掃描采集周圍環(huán)境信息，通過卡片電腦運(yùn)行的SLAM算法來實(shí)時(shí)構(gòu)建地圖，并將構(gòu)建的地圖及時(shí)上傳至移動(dòng)控制終端，通過移動(dòng)控制終端可以觀察構(gòu)建的地圖并與機(jī)器人進(jìn)行交互。根據(jù)在實(shí)際環(huán)境下對智能機(jī)器人的功能進(jìn)行測試，移動(dòng)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在陌生環(huán)境中自主探索導(dǎo)航，主動(dòng)避障到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。在黑夜環(huán)境中，普通的視覺導(dǎo)航機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)環(huán)境分析與導(dǎo)航功能，紅外成像也是無法做到的。此時(shí)激光雷達(dá)機(jī)器人便能充分發(fā)揮它的優(yōu)勢，在環(huán)境光線極低的情況下也能正常工作，與視覺導(dǎo)航機(jī)器人形成互補(bǔ)關(guān)系。實(shí)際測試效果如圖6所示。

從圖中可以看出，在小車的運(yùn)行過程中，ORB_SLAM2會(huì)通過不斷在地圖中標(biāo)注出自己的軌跡并根據(jù)周圍的環(huán)境來控制小車的行駛路徑。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種利用卡片電腦和Arduino開發(fā)板搭建的雙控制器智能機(jī)器人模型，并且使用SLAM算法實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器人的定位和在未知環(huán)境下的地圖建模，能夠根據(jù)生成的地圖來對小車的路徑進(jìn)行規(guī)劃和自動(dòng)導(dǎo)航。實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人能夠有效實(shí)現(xiàn)小車在未知環(huán)境中的定位和實(shí)時(shí)地圖構(gòu)建，具有較高的穩(wěn)定性且易于擴(kuò)展。