基于ROS 與UWB 的送餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)*

馮毅烽 ，鐘小華 ，鄭梓琪 ，麥鈞俊 ，張春瑩

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510450）

目前市面上的智能送餐系統(tǒng)一般使用超寬帶（Ultra Wide Band, UWB）技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng)，或者使用激光雷達(dá)配合ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)[1]。UWB 通信技術(shù)的精度較高，但不能很好地規(guī)劃出最短路線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障；而使用激光雷達(dá)配合ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)[2]的適用性較強(qiáng)、效率較高，但不能自動(dòng)標(biāo)記用戶的位置，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的建圖，無(wú)法滿足美食城多商家共用送餐機(jī)器人的需求。因此，本文基于美食城這一環(huán)境復(fù)雜、顧客位置不定、服務(wù)需求量大、商家多的特定環(huán)境，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于ROS 與UWB的美食城送餐機(jī)器人系統(tǒng)[3]。

1 送餐機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

送餐機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)由觸摸屏、餐牌回收收納盒、上下雙層送餐托盤、激光雷達(dá)、機(jī)器人本體及對(duì)應(yīng)的核心控制板和上位機(jī)等一系列軟硬件組成。機(jī)器人通過(guò)兩組麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)送餐機(jī)器人的全向移動(dòng)，通過(guò)激光雷達(dá)配合UWB 實(shí)現(xiàn)餐品的投送和回收。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)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

送餐機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成主要包括上位機(jī)遠(yuǎn)程控制臺(tái)（PC）、2 組UWB 基站、激光雷達(dá)、中繼機(jī)樹莓派微型電腦、下位機(jī)核心控制板STM32、電源供電模塊等，具體如圖2所示。

圖2 送餐機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)遠(yuǎn)程控制臺(tái)（PC）使用Ubuntu 18.04 系統(tǒng)與QT，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)監(jiān)控，顯示機(jī)器人任務(wù)列表信息，與中繼機(jī)使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。

中繼機(jī)樹莓派微型電腦搭載Ubuntu 18.04 系統(tǒng)與ROS 操作系統(tǒng)[4]，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單運(yùn)算并接收激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)，將點(diǎn)餐任務(wù)信息通過(guò)Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送給上位機(jī)PC，將數(shù)據(jù)通過(guò)uart 串口先發(fā)送至下位機(jī)STM32，控制兩組電機(jī)實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。

下位機(jī)核心控制板STM32 通過(guò)SPI 協(xié)議與電機(jī)驅(qū)動(dòng)C620 通信，并發(fā)送相對(duì)應(yīng)的PWM 信號(hào)脈寬值，通過(guò)CAN 總線控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和變速，使送餐機(jī)器人按照控制要求運(yùn)動(dòng)。UWB 機(jī)器人標(biāo)簽通過(guò)無(wú)線載波通信和UWB 模塊進(jìn)行通信，并且將接收到的位置信息通過(guò)串口發(fā)送給核心控制板STM32，再通過(guò)串口發(fā)送位置數(shù)據(jù)給中繼機(jī)樹莓派，使送餐機(jī)器人能準(zhǔn)確定位。

2 送餐機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

送餐機(jī)器人軟件系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制臺(tái)軟件設(shè)計(jì)、UWB 室內(nèi)定位程序、人機(jī)交互程序、機(jī)器人建圖與導(dǎo)航程序。UWB 室內(nèi)定位程序負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人在ROS地圖上進(jìn)行定位；人機(jī)交互程序負(fù)責(zé)幫助用戶查看點(diǎn)餐信息，方便商家和用戶確認(rèn)送餐信息；機(jī)器人建圖與導(dǎo)航程序負(fù)責(zé)在ROS 建立二維地圖以及根據(jù)UWB定位標(biāo)簽進(jìn)行導(dǎo)航。

2.1 遠(yuǎn)程控制臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制臺(tái)作為送餐機(jī)器人的服務(wù)端，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)監(jiān)控，顯示機(jī)器人任務(wù)列表信息以及存儲(chǔ)客戶端用戶點(diǎn)餐信息；商家電腦的點(diǎn)餐軟件設(shè)計(jì)由商家客戶端和用戶客戶端組成。

通過(guò)QT 軟件進(jìn)行UI 界面設(shè)計(jì)，用戶客戶端界面如圖3 所示，QT 開發(fā)語(yǔ)言基于C/C++，能大大降低匯編的難度，使用的函數(shù)難度較低，指令的可讀性也比較強(qiáng)[5]。用戶可以根據(jù)自己的愛好進(jìn)行點(diǎn)餐，同時(shí)商家需要選擇該訂單的餐牌號(hào)并把對(duì)應(yīng)的餐牌交給顧客。送餐任務(wù)數(shù)量由訂單內(nèi)的餐品數(shù)量和訂單數(shù)決定，進(jìn)入任務(wù)狀態(tài)后，機(jī)器人會(huì)通過(guò)基站位置定位送餐地點(diǎn)，準(zhǔn)確快速地完成送餐，并進(jìn)入下一個(gè)訂單任務(wù)。

圖3 用戶客戶端設(shè)計(jì)界面

2.2 UWB室內(nèi)定位程序

室內(nèi)定位采用TOA 算法計(jì)算兩個(gè)設(shè)備之間的距離，TOA 測(cè)距方法屬于雙向測(cè)距技術(shù)，其原理是用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)器間傳輸?shù)臅r(shí)間乘以傳輸?shù)乃俣龋?jì)算出兩個(gè)異步收發(fā)器之間的距離[6]。單邊雙向測(cè)距的流程為數(shù)據(jù)信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出并記錄時(shí)間T1，接收端接收到數(shù)據(jù)信號(hào)記錄時(shí)間T2，接收端發(fā)送應(yīng)答信號(hào)記錄時(shí)間T3，發(fā)送端接收到應(yīng)答信號(hào)記錄時(shí)間T4。發(fā)送端發(fā)送與接收的時(shí)間差為T4 減去T1，接收端發(fā)送與接收的時(shí)間差為T3 減去T2。發(fā)送端與接收端的距離為發(fā)送端發(fā)送與接收的時(shí)間差減去接收端發(fā)送與接收的時(shí)間差然后乘以傳播速度。

本文采用的是雙邊雙向測(cè)距技術(shù)。假設(shè)有A、B兩個(gè)設(shè)備，雙邊雙向測(cè)距技術(shù)就是在以A 設(shè)備作為發(fā)送端、B 設(shè)備作為接收端進(jìn)行一次單邊雙向測(cè)距后，再以A 設(shè)備作為發(fā)送端發(fā)送一次數(shù)據(jù)給B 設(shè)備。很明顯，雙邊雙向測(cè)距技術(shù)會(huì)比單邊雙向測(cè)距技術(shù)花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)，但是其精度會(huì)比單邊雙向測(cè)距更高。

本設(shè)計(jì)把UWB 模塊分為標(biāo)簽和基站，其中，用來(lái)建立坐標(biāo)軸的基站有3 個(gè)，用來(lái)作為坐標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)簽有2 個(gè)，如圖4 所示。通過(guò)基站0（0，y0）、基站1（x1，0）、基站2（x2，0）建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，在直角坐標(biāo)系中，機(jī)器人坐標(biāo)為（x3，y3），用戶坐標(biāo)為（x4，y4），再通過(guò)TOA 算法得到機(jī)器人和用戶的實(shí)際坐標(biāo)數(shù)據(jù)：

圖4 UWB室內(nèi)定位模塊擺放位置圖

基站就是雙邊雙向測(cè)距中的接收端，所以如果UWB 模塊被劃分為基站就會(huì)執(zhí)行循環(huán)等待標(biāo)簽數(shù)據(jù)，在接收到消息后判斷數(shù)據(jù)是否正常，判斷數(shù)據(jù)正常后會(huì)把數(shù)據(jù)存進(jìn)數(shù)組里并讀取時(shí)間節(jié)點(diǎn)；接著設(shè)置最終消息接收的預(yù)期延遲和超時(shí)，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入DW1000，配置發(fā)送幀控制寄存器，設(shè)置發(fā)送方式并發(fā)送信息回應(yīng)標(biāo)簽；再次循環(huán)等待標(biāo)簽數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否正常，把數(shù)據(jù)存進(jìn)數(shù)組里，讀取時(shí)間節(jié)點(diǎn)。標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)里面會(huì)包含時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息，配合基站自身讀取的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，通過(guò)上述的TOF 雙邊雙向測(cè)距原理計(jì)算出基站與標(biāo)簽的距離。每個(gè)基站計(jì)算完距離后又會(huì)通過(guò)DW1000 把距離數(shù)據(jù)發(fā)送給標(biāo)簽，標(biāo)簽再匯總與3 個(gè)基站之間的距離并發(fā)送給基站0，基站0 會(huì)通過(guò)加權(quán)三角形質(zhì)心定位算法得到標(biāo)簽在室內(nèi)地圖坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并通過(guò)串口發(fā)送出去[1]。

標(biāo)簽就是雙邊雙向測(cè)距中的發(fā)送端。所有的標(biāo)簽會(huì)由一個(gè)主標(biāo)簽管理，每個(gè)標(biāo)簽要想進(jìn)行測(cè)距就必須先向主標(biāo)簽發(fā)送申請(qǐng)，主標(biāo)簽進(jìn)行申請(qǐng)排序并逐個(gè)通過(guò)申請(qǐng)[7]。這樣做原因是，每個(gè)標(biāo)簽都會(huì)與基站TOF 算法測(cè)距，如果某個(gè)標(biāo)簽與基站0 雙邊雙向測(cè)距進(jìn)行到一半，另外一個(gè)標(biāo)簽又發(fā)送數(shù)據(jù)給基站0，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)生混亂。在每個(gè)標(biāo)簽通過(guò)申請(qǐng)后會(huì)先設(shè)置接收事后延誤和超時(shí)，把當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)寫入要發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)組中，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入DW1000，配置發(fā)送幀控制寄存器，設(shè)置發(fā)送方式并發(fā)送數(shù)據(jù)給基站，循環(huán)等待基站數(shù)據(jù)。接收到基站數(shù)據(jù)后，再一次按相同的流程發(fā)送數(shù)據(jù)給基站[2]。

2.3 人機(jī)交互程序

機(jī)器人人機(jī)交互界面在中繼機(jī)樹莓派觸摸屏上顯示，使用QT 開發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖5 所示。其中，數(shù)字1~4 代表1~4 號(hào)餐格。當(dāng)有送餐任務(wù)時(shí)，數(shù)字后就會(huì)顯示對(duì)應(yīng)餐品。使用人機(jī)交互模塊可以研究系統(tǒng)與用戶之間的交互關(guān)系，提高系統(tǒng)的可用性和用戶友好性。

圖5 人機(jī)交互界面

2.4 機(jī)器人建圖與導(dǎo)航

使 用ROS 中所提供的AMCL 與Move base 功能包來(lái)實(shí)現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃功能。首先，控制機(jī)器人在牛場(chǎng)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，使用Cartographer 算法建立牛場(chǎng)環(huán)境地圖，作為全局代價(jià)地圖。其次，機(jī)器人根據(jù)主機(jī)PC 或手機(jī)App 下發(fā)目標(biāo)點(diǎn)，使用Dijkstra 算法進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，計(jì)算機(jī)器人到目標(biāo)位置的最佳路線，并將其作為機(jī)器人的全局路線。最后，在機(jī)器人實(shí)際作業(yè)時(shí)，為了避免機(jī)器人與可能出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)障礙物發(fā)生碰撞，根據(jù)激光雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)引入本地代價(jià)地圖，由local planner 模塊通過(guò)Dynamic Windows Approaches算法計(jì)算躲避的多條軌跡，對(duì)于每條模擬的運(yùn)動(dòng)軌跡分別計(jì)算軌跡上是否存在障礙物以及與障礙物距離的分值CostsObstacle、軌跡上點(diǎn)與局部參考路徑最近距離的分值CostsPath、軌跡上點(diǎn)與局部參考路徑終點(diǎn)最近距離的分值CostsGoal[8]，綜合評(píng)分計(jì)算公式為：

式中，α、β、Γ表示各評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重值。

其權(quán)重值取決于機(jī)器人所側(cè)重的性能，通過(guò)試驗(yàn)，α、β、Γ的取值分別為0.07、0.35 和3。全局地圖模型如圖6 所示，地圖最下角的框表示機(jī)器人的初始位置，最左邊的框表示3 個(gè)商家的位置，3 個(gè)圓點(diǎn)表示3 個(gè)UWB 基站的位置，中間兩個(gè)大框表示餐桌和椅子的位置。

圖6 全局地圖模型

通過(guò)R p l i d a t A l 激光雷達(dá)收集環(huán)境數(shù)據(jù)，Gmapping 算法處理收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)構(gòu)建出SLAM 地圖，UWB 模塊對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位然后在地圖上顯示坐標(biāo)，ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)UWB 模塊定位好點(diǎn)的坐標(biāo)，再結(jié)合實(shí)際的環(huán)境數(shù)據(jù)計(jì)算出最短距離，然后快速地移動(dòng)并實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，調(diào)整機(jī)器人的行動(dòng)狀態(tài)[9-10]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ROS 與UWB 的送餐機(jī)器人系統(tǒng)[11-13]，分別從硬件系統(tǒng)總框架和系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分進(jìn)行了介紹。投入試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：1）能獲取顧客的位置，并識(shí)別障礙物，解決了美食城環(huán)境復(fù)雜、顧客位置不定的問(wèn)題。2）能計(jì)算出每次送餐距離最近的顧客位置，使機(jī)器人送餐有很高的效率。3）一臺(tái)機(jī)器人可供多位商家使用，并且有多個(gè)放餐位，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。4）有輔助回收餐具的功能。綜上，該系統(tǒng)符合美食城的環(huán)境，并且效率較高，可創(chuàng)造較高的經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的應(yīng)用前景。