全向移動的送餐機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與仿真

夏 田，張大為，代斌斌

（陜西科技大學(xué)，西安 710021）

0 引言

服務(wù)機(jī)器人是新興的一類智能機(jī)器人，其可以自主工作或全自主工作。通過智能化的工作以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相互融合，從而促進(jìn)人類生活的便捷、智能化[1,2]。在技術(shù)的不斷發(fā)展中，服務(wù)型智能機(jī)器人的功能被逐步完善，可以勝任不同的任務(wù)[3]。

針對現(xiàn)有送餐機(jī)器人的軌跡固定、空間要求高、容易產(chǎn)生人機(jī)干涉的問題，本文提出了一種基于麥克納姆輪的在餐廳天花板層運(yùn)行的送餐機(jī)器人；建立送餐機(jī)器人硬件控制平臺，使用機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS和編程語言C++搭建軟件平臺；進(jìn)行實(shí)時地圖構(gòu)建定位與路徑規(guī)劃仿真，結(jié)果證明機(jī)器人可以較好實(shí)現(xiàn)送餐機(jī)器人的相關(guān)功能，顯著提高了送餐作業(yè)的效率。

1 全向移動送餐機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

全向移動送餐機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)由1.蝸輪繩輥聯(lián)接架2.蝸輪；3.升降電機(jī)聯(lián)軸器；4.蝸輪繩輥連接軸；5.升降電機(jī)；6、升降電機(jī)架；7.定滑輪；8.滑輪架；9.上托架；10.蝸桿；11.升降繩孔；12.升降繩；13.餐盤；14、限位孔；15.鋁合金型材；16.麥克納姆輪；17.輪組電機(jī)及對應(yīng)的核心控制板和上位機(jī)等一系列軟硬件組成組成。機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 送餐機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)示意圖

全向移動送餐機(jī)器人的送餐工作原理如圖2所示，機(jī)器人通過兩組麥克納姆輪16實(shí)現(xiàn)在天花板層的全向移動，通過升降結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)餐品的投送和回收。此方式可以隔絕人機(jī)干涉，增加機(jī)器人的靈活性，送餐效率大幅度提升的同時降低了運(yùn)行風(fēng)險。

2 送餐機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

為準(zhǔn)確完成送餐機(jī)器人作業(yè)，對送餐機(jī)器人的總體控制系統(tǒng)流程做出如下設(shè)計。

1）送餐任務(wù)開始，人工核對待送餐品和目標(biāo)點(diǎn)并將其放在已收回餐盤上，之后選擇自動或手動模式。

2）自動模式下，機(jī)器人上電開機(jī)并在遠(yuǎn)程pc指令控制下，根據(jù)預(yù)設(shè)路徑規(guī)劃算法計算出軌跡，隨后下位機(jī)STM32驅(qū)動輪組電機(jī)運(yùn)行，激光雷達(dá)反饋行駛路徑與位置并修正，遇障礙時，通過激光雷達(dá)重新規(guī)劃軌跡。到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)餐盤投送食物，待取餐后收回，隨后返回起始點(diǎn)等待指令。

3）手動模式下，將已通過中繼機(jī)樹莓派解析的遠(yuǎn)程控制pc發(fā)布的鍵盤指令發(fā)送給下位機(jī)STM32，其運(yùn)行對應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人手動控制下的全向移動、送收餐盤。送餐完成后手動返回初始位置等待任務(wù)。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

送餐機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件組成主要包括上位機(jī)遠(yuǎn)程控制pc、中繼機(jī)樹莓派微型電腦、下位機(jī)核心控制板STM32、激光雷達(dá)、輪組，餐盤升降電機(jī)及對應(yīng)驅(qū)動模塊、電機(jī)編碼器等。

機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

上位機(jī)遠(yuǎn)程控制pc安裝Ubuntu 16.04系統(tǒng)與ROS操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制、實(shí)時地圖構(gòu)建與定位、軌跡規(guī)劃導(dǎo)航、避障算法構(gòu)建等復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，其與中繼機(jī)使用無線網(wǎng)絡(luò)通訊。

中繼機(jī)樹莓派微型電腦安裝Ubuntu 16.04系統(tǒng)與ROS操作系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)簡單運(yùn)算并接收激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過uart串口線發(fā)送至下位機(jī)STM32實(shí)現(xiàn)輪組、餐盤升降電機(jī)的控制。

下位機(jī)核心控制板STM32通過串口與各電機(jī)通訊，得到對應(yīng)PWM信號脈寬值，并發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動C620，其通過CAN總線控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，使機(jī)器人按照控制要求運(yùn)動。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)部分由上位機(jī)、中繼機(jī)、下位機(jī)對應(yīng)控制程序構(gòu)成，自動模式下由預(yù)設(shè)程序控制機(jī)器人，手動模式下由人工在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。

機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)流程圖

上位機(jī)控制程序主要有底盤目標(biāo)點(diǎn)發(fā)布程序、運(yùn)動控制程序、運(yùn)動模型解算與位置反饋程序。當(dāng)送餐開始時，上位機(jī)將控制指令通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中繼機(jī)，上位機(jī)與中繼機(jī)都安裝了ROS操作系統(tǒng)，利用系統(tǒng)中已有的工具、協(xié)議完成機(jī)器人的算法編程和仿真。中繼機(jī)將接收到的相關(guān)指令進(jìn)行解析并遞送給下位機(jī)。

中繼機(jī)樹莓派微型電腦通過rosserial協(xié)議將解析的運(yùn)動指令以串口通訊遞送至下位機(jī)STM32，使下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對應(yīng)電機(jī)的控制。

下位機(jī)控制程序主要包括電機(jī)控制程序、ROS串口通訊，機(jī)器人位姿讀取程序。電機(jī)控制，由于送餐機(jī)器人采用麥克納姆輪組，只需要控制各輪的速度和轉(zhuǎn)向即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全向移動。通過PWM脈寬調(diào)制控制輪組電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)，根據(jù)脈寬和速度的映射關(guān)系圖可以得到PWM脈寬對應(yīng)的電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向，如圖4所示。與ROS串口通訊同樣是通過rosserial協(xié)議實(shí)現(xiàn)的[4]。在Windows環(huán)境下應(yīng)用MDK5軟件，C/C++語言完成下位機(jī)STM32的開發(fā)。

圖4 脈寬和速度的映射關(guān)系

機(jī)器人的主要控制圖如圖5所示。

圖5 送餐機(jī)器人主要控制圖

3 機(jī)器人相關(guān)算法與仿真

送餐機(jī)器人主要算法包括運(yùn)動底盤的SLAM和路徑規(guī)劃。在SLAM中，建圖采用gmapping算法[5]；定位采用蒙特卡羅算法[6]。全局路徑規(guī)劃使用基于柵格地圖上的A*算法[7]；局部路徑規(guī)劃算法使用ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)中的DWA算法。

3.1 建圖仿真

在上位機(jī)遠(yuǎn)程控制pc中，根據(jù)送餐機(jī)器人需要的參數(shù)配置slam_gmapping節(jié)點(diǎn)如表1所示。

表1 “slam_gmapping” 節(jié)點(diǎn)部分參數(shù)設(shè)置

啟動后發(fā)布機(jī)器人狀態(tài)信息，啟動鍵盤控制、gmapping SLAM節(jié)點(diǎn)，使用激光雷達(dá)更新地圖最終獲得完整地圖信息，建圖仿真如圖6所示，地圖中設(shè)置了墻壁等固有障礙，機(jī)器人最終完成地圖掃描構(gòu)建。

圖6 機(jī)器人建圖仿真

3.2 蒙特卡羅定位仿真

在已有靜態(tài)柵格地圖上使用ROS中Amcl工具包進(jìn)行蒙特卡羅定位仿真，其節(jié)點(diǎn)參數(shù)如表2所示。機(jī)器人啟動建立相關(guān)節(jié)點(diǎn)后啟動Amcl。蒙特卡羅定位過程如圖7所示，可以看出粒子樣本點(diǎn)收斂，定位趨于準(zhǔn)確，地圖右下角邊框處線為實(shí)時雷達(dá)掃描范圍。

圖7 蒙特卡羅定位過程

表2 “Amcl”節(jié)點(diǎn)部分參數(shù)設(shè)置

3.3 路徑規(guī)劃仿真

此部分利用ROS中move_base功能包仿真，全局地圖模型如圖8所示；全局路徑規(guī)劃與導(dǎo)航如圖9所示；避障地圖如圖10所示；避障過程如圖11所示。

圖8 全局地圖模型

圖9 全局路徑規(guī)劃與導(dǎo)航

圖10 避障地圖

由圖9可見，機(jī)器人成功規(guī)劃出全局路徑并移動；由圖10及圖11可見，設(shè)置了臨時的墻壁障礙，機(jī)器人在沿著已規(guī)劃路徑上運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)障礙并進(jìn)行局部路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)避障，完成行走過程。

圖11 避障過程

由仿真結(jié)果可知，使用上述算法設(shè)計的全向移動送餐機(jī)器人可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)實(shí)時地圖構(gòu)建與定位、路徑規(guī)劃等功能，在工作環(huán)境中有障礙物等影響因素時，機(jī)器人可以通過避障算法進(jìn)行局部路徑規(guī)劃避障，從而較好地完成送餐任務(wù)。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了全向移動送餐機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)、工作原理，并根據(jù)其控制要求，以STM32和中繼機(jī)樹莓派作為核心控制器，使用上位機(jī)pc進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，建立送餐機(jī)器人控制的硬件平臺。采用Ubuntu mate 16.04作為嵌入式操作系統(tǒng)，同時使用機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS和編程語言C++搭建系統(tǒng)的軟件平臺。利用ROS和相關(guān)算法進(jìn)行仿真，結(jié)果表明所述送餐機(jī)器人能夠完成全向移動，實(shí)時地圖構(gòu)建與定位，避障等送餐相關(guān)功能，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的可行性。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維修、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，減少了人機(jī)干涉及服務(wù)員與顧客的直接接觸。