淺談基于ROS的送餐服務(wù)機(jī)器人

張博 趙慧 馬業(yè)林 孫文匯

摘 要 隨著科技發(fā)展水平的提高，服務(wù)機(jī)器人有了更快的發(fā)展，并開始廣泛應(yīng)用餐飲、酒店、商場(chǎng)等商業(yè)領(lǐng)域。服務(wù)機(jī)器人在機(jī)器人市場(chǎng)的需求日益高漲，成為未來(lái)機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要方向。基于ROS系統(tǒng)的送餐服務(wù)機(jī)器人主要包含了四項(xiàng)技術(shù)，分別為：自主移動(dòng)技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)、底盤技術(shù)、智能芯片技術(shù)。針對(duì)ROS系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，通過(guò)SLAM技術(shù)，對(duì)自身攜帶的編碼電機(jī)和激光雷達(dá)來(lái)對(duì)自身進(jìn)行定位，并在定位的基礎(chǔ)上構(gòu)建環(huán)境地圖，解決機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)行時(shí)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 ROS;SLAM技術(shù);編碼電機(jī);激光雷達(dá)

民以食為天，在激烈競(jìng)爭(zhēng)的餐飲市場(chǎng)下，如何令自己的餐廳立于不敗之地，樹立自己的餐飲品牌，走出一條成功之路，智能機(jī)器人和餐廳的有機(jī)結(jié)合為餐廳開創(chuàng)了一個(gè)新的創(chuàng)新點(diǎn)，隨著社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)生活的改變，很多客人的聚餐都會(huì)在餐廳進(jìn)行，這必然就會(huì)加劇服務(wù)人員的使用量，特別是在用餐高峰期，客流量會(huì)變得更多，這時(shí)，如果采用智能機(jī)器人替換或替換部分服務(wù)人員，既可以減輕服務(wù)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加餐廳非就餐高峰期客流量，還可以合理調(diào)配餐廳的資源，提升餐廳的科技形象，制造品牌效應(yīng)，吸引更多客戶，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1ROS操作系統(tǒng)

21世紀(jì)開始，關(guān)于人工智能的研究進(jìn)入了大發(fā)展階段，包括全方位的具體的AI，例如斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室STAIR（Stanford Artificial Intelligence Robot）項(xiàng)目，該項(xiàng)目組創(chuàng)建了靈活的、動(dòng)態(tài)的軟件系統(tǒng)的原型，用于機(jī)器人技術(shù)。在2007年，機(jī)器人公司W(wǎng)illow Garage和該項(xiàng)目組合作，他們十分具有前瞻性的，提供了大量資源進(jìn)一步擴(kuò)展了這些概念，經(jīng)過(guò)具體的研究測(cè)試實(shí)現(xiàn)之后，無(wú)數(shù)的研究人員將他們的專業(yè)性研究貢獻(xiàn)到ROS核心概念和其基礎(chǔ)軟件包，這期間積累了眾多的科學(xué)研究成果。ROS軟件的開發(fā)自始至終采用開放的BSD協(xié)議，在機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域逐漸成為一個(gè)被廣泛使用的平臺(tái)。

隨著技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)分工開始走向細(xì)致化、多層次化，像如今的電機(jī)、底盤、激光雷達(dá)、攝像頭、機(jī)械臂等等元器件都有不同廠家專門生產(chǎn)。社會(huì)的分工加速了機(jī)器人行業(yè)的迅速發(fā)展發(fā)展。而各個(gè)部件的集成就需要一個(gè)統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，在機(jī)器人領(lǐng)域，這個(gè)平臺(tái)就是機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS。ROS是一個(gè)適用于機(jī)器人編程的框架，這個(gè)框架把原本松散的零部件耦合在了一起，為他們提供了通信架構(gòu)。ROS雖然叫作操作系統(tǒng)，但并非Windows、Mac那樣通常意義的操作系統(tǒng)，它只是連接了操作系統(tǒng)和你開發(fā)的ROS應(yīng)用程序，所以它也算是一個(gè)中間件，基于ROS的應(yīng)用程序之間建立起了溝通的橋梁，所以也是運(yùn)行在Linux上的運(yùn)行時(shí)環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境基礎(chǔ)上，機(jī)器人的感知、決策、控制算法可以更好地組織和運(yùn)行。此外，ROS支持多種編程語(yǔ)言。C++、Pyhton和已經(jīng)在ROS中實(shí)現(xiàn)編譯，是目前應(yīng)用最廣的ROS開發(fā)語(yǔ)言。為了支持多語(yǔ)言編程，ROS采用了一種語(yǔ)言中立的接口定義語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊之間消息傳送。通俗的理解就是，ROS的通信格式和用哪種編程語(yǔ)言來(lái)寫無(wú)關(guān)，它使用的是自身定義的一套通信接口[1]

2SLAM算法解析

2.1 SLAM框架說(shuō)明

SLAM系統(tǒng)框架一般分為五個(gè)模塊，包括傳感器數(shù)據(jù)、視覺(jué)里程計(jì)、后端、建圖及回環(huán)檢測(cè)。

傳感器數(shù)據(jù)：主要用于采集實(shí)際環(huán)境中的各類型原始數(shù)據(jù)。包括激光掃描數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。

視覺(jué)里程計(jì)：主要用于不同時(shí)刻間移動(dòng)目標(biāo)相對(duì)位置的估算。包括特征匹配、直接配準(zhǔn)等算法的應(yīng)用。

后端：主要用于優(yōu)化視覺(jué)里程計(jì)帶來(lái)的累計(jì)誤差。包括濾波器、圖優(yōu)化等算法應(yīng)用。

建圖：用于三維地圖構(gòu)建。

回環(huán)檢測(cè)：主要用于空間累積誤差消除。

其工作流程大致為：

傳感器讀取數(shù)據(jù)后，視覺(jué)里程計(jì)估計(jì)兩個(gè)時(shí)刻的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（Ego-motion），后端處理視覺(jué)里程計(jì)估計(jì)結(jié)果的累積誤差，建圖則根據(jù)前端與后端得到的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)建立地圖，回環(huán)檢測(cè)則考慮了同一場(chǎng)景不同時(shí)刻的圖像，提供了空間上約束來(lái)消除累積誤差。

2.2 激光SLAM

本項(xiàng)目用到了目前相對(duì)來(lái)說(shuō)更為成熟的激光雷達(dá)SLAM，采用思嵐激光雷達(dá)PRLIDAR A1，激光SLAM采用2D或3D激光雷達(dá)（也叫單線或多線激光雷達(dá)），2D激光雷達(dá)一般用于室內(nèi)機(jī)器人上（如掃地機(jī)器人），而3D激光雷達(dá)一般使用于無(wú)人駕駛領(lǐng)域。激光雷達(dá)的出現(xiàn)和普及使得測(cè)量更快更準(zhǔn)，信息更豐富。激光雷達(dá)采集到的物體信息呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準(zhǔn)確角度和距離信息的點(diǎn)，被稱為點(diǎn)云。通常，激光SLAM系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻兩片點(diǎn)云的匹配與比對(duì)，計(jì)算激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離和姿態(tài)的改變，也就完成了對(duì)機(jī)器人自身的定位。

激光雷達(dá)測(cè)距比較準(zhǔn)確，誤差模型簡(jiǎn)單，在強(qiáng)光直射以外的環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定，點(diǎn)云的處理也比較容易。同時(shí)，點(diǎn)云信息本身包含直接的幾何關(guān)系，使得機(jī)器人的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航變得直觀。

3系統(tǒng)控制原理

本體中包含嵌入式系統(tǒng)，和上位機(jī)部分。嵌入式系統(tǒng)采用Arduino MEGA2560 R3作為機(jī)器人下位機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳送里程計(jì)信息。上位機(jī)則采用樹莓派來(lái)進(jìn)行全局控制。下位機(jī)獲取到的編碼信息和里程計(jì)信息通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給樹莓派，樹莓派通過(guò)接收到的信息配合激光雷達(dá)掃描得到的信息可以對(duì)自身進(jìn)行定位，并且在定位的基礎(chǔ)上構(gòu)建3D環(huán)境圖，解決機(jī)器人在未知環(huán)境中的定位和地圖構(gòu)建，再由上位機(jī)對(duì)下位機(jī)發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤的控制。

3.1 里程計(jì)信息的采集與發(fā)布

機(jī)器人系統(tǒng)中存在base_controller節(jié)點(diǎn)，其中base_controller節(jié)點(diǎn)將訂閱的cmd_vel信息通過(guò)串口或其他通信接口發(fā)送給下位機(jī)（Arduino）。下位機(jī)中根據(jù)公式進(jìn)行解算，將機(jī)器人速度轉(zhuǎn)換為每個(gè)輪子的速度，然后通過(guò)CAN總線將每個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制編碼電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制（PID控制），并統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)接收到的編碼器脈沖數(shù)，計(jì)算出輪子轉(zhuǎn)速。

base_controller節(jié)點(diǎn)將接收到的cmd_vel速度信息轉(zhuǎn)換為自定義的結(jié)構(gòu)體類型的數(shù)據(jù)（自定義的數(shù)據(jù)類型中可以包含校驗(yàn)碼等其他信息），并通過(guò)串口發(fā)送控制速度信息（speed_buf）或讀取機(jī)器人傳回的速度信息 （speed_buf_rev）。base_controller節(jié)點(diǎn)正確讀取到底層（Arduino）傳回的速度后進(jìn)行積分，計(jì)算出機(jī)器人的估計(jì)位置和姿態(tài)，并將里程計(jì)信息和tf變換發(fā)布出去。

3.2 串口通信

本系統(tǒng)主要采用串口通信的方式傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)安裝rosserial_arduino包以實(shí)現(xiàn)ROS與Arduino板之間的串口通信，rosserial_arduino包以后，你可以在Arduino IDE中直接使用ROS，rosserial_arduino提供了ros的通信協(xié)議，它可以在Arduino的UART上工作。它可以使Arduino成為一個(gè)完整的ROS節(jié)點(diǎn)，直接發(fā)布和訂閱ROS消息，發(fā)布TF轉(zhuǎn)換，并獲得ROS系統(tǒng)時(shí)間。

完成串口通信后，便可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)指令的發(fā)送和對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)的接收。

3.3 核心控制設(shè)備

本系統(tǒng)采用的核心控制設(shè)備為樹莓派，樹莓派預(yù)裝Linux系統(tǒng)，體積小，搭載ARM架構(gòu)處理器。樹莓派包括40個(gè)GPIO口，可以通過(guò)它們輸出高（低）電平或者通過(guò)它們讀入引腳的狀態(tài)。本項(xiàng)目通過(guò)UART串口實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互。

樹莓派RXD端與Arduino板TXD端相連接，通過(guò)串口接收Arduino板和激光雷達(dá)返回的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)程序發(fā)送指令給小車控制平臺(tái)。

3.4 小車控制平臺(tái)

小車控制平臺(tái)采用Arduino MEGA2560 R3來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制，編碼器1的HoutA和HoutB接Arduino mega2560的pin2和pin3，對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)是0和1，編碼器2的HoutA和HoutB接 Arduino mega2560的pin19和pin18，對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)是4和5，L298N的ENA接Arduino mega 2560的pin5，L298N的ENB接Arduino mega 2560的pin6，IN1和IN2接Arduino mega 2560的pin7和pin8，IN3和IN4接Arduino mega 2560的pin9和pin10，通過(guò)IN1和IN2控制電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)方向（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）， 通過(guò)ENA控制其的轉(zhuǎn)速;通過(guò)IN3和IN4控制電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)方向（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）， 通過(guò)ENB控制其的轉(zhuǎn)速。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)國(guó)力的不斷增強(qiáng)，實(shí)力不斷提升，國(guó)家也越來(lái)越重視在科技方面的發(fā)展，慢慢地，智能機(jī)器人也逐漸為我們所知。利用激光雷達(dá)對(duì)周圍環(huán)境實(shí)時(shí)建模是本系設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。送餐機(jī)器人的最終目的，是在幫助餐廳節(jié)約成本的同時(shí)，提高服務(wù)員的工作效率，讓他們更加專注在“服務(wù)”上面。送餐機(jī)器人在快速發(fā)展中，經(jīng)歷了數(shù)次的迭代更替，實(shí)用性也大大增強(qiáng)。商家愿意使用送餐機(jī)器人也將不再是所謂的“噱頭”，而是能夠?qū)嵈驅(qū)嵉亟档瓦\(yùn)營(yíng)成本，提升工作效率。

本設(shè)計(jì)基于ROS系統(tǒng)及Arduino的智能小車的控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)編碼器和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的獲取，計(jì)算參數(shù)，達(dá)到對(duì)自身的定位以及實(shí)時(shí)建模，履帶式的底盤設(shè)計(jì)減少了在水面上打滑的可能，安全穩(wěn)定性高。在人流量高的餐廳里可以分散服務(wù)員的壓力，提升整體工作效率。

該機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)送餐，因?yàn)槠淇梢詫?shí)時(shí)更新的環(huán)境建模特性與其對(duì)地面適應(yīng)性極強(qiáng)履帶式設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在商場(chǎng)或者是工廠夜間巡邏的作用，使其廣泛應(yīng)用在生活當(dāng)中，減少了人力，提高了生活質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭欣桐，戰(zhàn)藝.基于ROS的服務(wù)型機(jī)器人新型控制方式[J].電子世界，2016（11）：8-9.