劉德健 吳健 馬英歌 張昕 祁東升

摘? ?要：為滿足實(shí)驗(yàn)室的管理需求，設(shè)計(jì)了一款基于ROS的實(shí)驗(yàn)室服務(wù)機(jī)器人。該機(jī)器人樣機(jī)采用PC為控制平臺，通過二維激光雷達(dá)采集位置距離數(shù)據(jù)，在ROS分布式框架下進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同步定位及地圖構(gòu)建的功能。并通過二維碼儲存實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)柜的物資信息，通過攝像頭采集數(shù)據(jù)在python中識別二維碼，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室信息管理的功能。通過實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)器人可以準(zhǔn)確的構(gòu)建地圖并自身定位。并能準(zhǔn)確識別二維碼，讀取存儲的信息。該實(shí)驗(yàn)室服務(wù)機(jī)器人具有開源、靈活、易于管理的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人操作系統(tǒng)? 實(shí)驗(yàn)室服務(wù)機(jī)器人? 同步定位及地圖構(gòu)建

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0001-02

隨著全球機(jī)器人市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大， 工業(yè)、特種和服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用持續(xù)開拓， 服務(wù)機(jī)器人市場規(guī)模高速增長， 據(jù)IFR統(tǒng)計(jì)，2017年， 用于專業(yè)用途的服務(wù)機(jī)器人的銷售額增長12%[1]。與此同時(shí)，機(jī)器人的工作環(huán)境也變得越來越復(fù)雜，這就對服務(wù)移動(dòng)機(jī)器人自主完成各種任務(wù)的能力提出了更高的要求。高校實(shí)驗(yàn)室物品種類繁多，各實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不同，也正需要一種服務(wù)機(jī)器人來管理實(shí)驗(yàn)室。本文設(shè)計(jì)一種基于ROS的實(shí)驗(yàn)室智能服務(wù)機(jī)器人，能夠做到迅速清點(diǎn)儀器，準(zhǔn)確查詢物品位置，使得實(shí)驗(yàn)室的物資信息夠清晰地呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室使用者的眼前，提高實(shí)驗(yàn)效率。其中主要的技術(shù)包括同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)與二維碼生成識別技術(shù)。

1? ?實(shí)驗(yàn)室服務(wù)機(jī)器人的硬件與軟件組成

室內(nèi)導(dǎo)航機(jī)器人采用PC機(jī)與機(jī)器人控制器和激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)與PC數(shù)據(jù)傳輸，機(jī)器人控制器與PC機(jī)的信息交互。整體架構(gòu)如圖1所示。

硬件層采用移動(dòng)機(jī)器人車體作為機(jī)械平臺，在其上搭建了HOUKUYO UST-10LX激光雷達(dá)和STM32F407硬件控制系統(tǒng)。其中HOUKUYO UST-10LX激光雷達(dá)通過網(wǎng)絡(luò)接口作為ROS的運(yùn)行平臺，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)地圖構(gòu)建及導(dǎo)航的主要功能。STM32F407主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)、編碼器和陀螺儀，為上層提供運(yùn)動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)。采用STM32F407作為底盤驅(qū)動(dòng)主控制模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與編碼器，選用激光雷達(dá)作為核心傳感器，采集室內(nèi)環(huán)境的深度信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理，然后使用ROS實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建、定位的功能。

2? 同步定位與地圖構(gòu)建

本文選用Gmapping算法和掃描匹配算法進(jìn)行二位柵格地圖的構(gòu)建。Gmapping算法基于Rao-Blackwellized粒子濾波器（RBPF），其建立的柵格地圖具有良好的性能。

SLAM算法通過機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）中SLAM-GMapping包實(shí)現(xiàn)，其中包含SLAM-GMapping的節(jié)點(diǎn)，通過激光掃描數(shù)據(jù)和機(jī)器人移動(dòng)可以得到二維柵格地圖。SLAM-GMapping 節(jié)點(diǎn)訂閱激光數(shù)據(jù)scan（sensor _ msgs/LaserScan）和傳輸數(shù)據(jù)（ tf/tfMessage） ，輸出發(fā)布的柵格地圖。并將構(gòu)建的地圖通過運(yùn)行 map_sever保存，存儲在圖像文件和YAML文件中。YAML文件描述地圖元數(shù)據(jù)并命名圖像文件對占用數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

Gmapping算法節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖如圖2所示。啟動(dòng) hukuyo_node 節(jié)點(diǎn)保持機(jī)器人與PC上位機(jī)的連接，通過base_link與 base_laser之間靜態(tài)坐標(biāo)變換來確定安裝激光測距儀的位置，將里程計(jì)信息使用 odom_tf發(fā)布并廣播，發(fā)布/pose_topic 獲得的里程計(jì)位姿?？刂菩≤嚨倪\(yùn)動(dòng)，啟動(dòng) GMapping; 運(yùn)行/map與/odom 之間的坐標(biāo)變換，然后運(yùn)行 rviz進(jìn)行地圖顯示，設(shè)置 LaserScan 的話題為/laser，Map的話題為/map 用以顯示構(gòu)造環(huán)境地圖。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 同步定位與地圖構(gòu)建實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）中SLAM-GMapping包對環(huán)境較為簡單的實(shí)驗(yàn)室走廊環(huán)境實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。同時(shí)還對環(huán)境較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行了環(huán)境地圖構(gòu)建，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出實(shí)驗(yàn)室服務(wù)機(jī)器人可以對走廊以及內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)的建圖并自身定位?？梢詽M足實(shí)驗(yàn)室服務(wù)機(jī)器人的工作要求。

3.2 實(shí)驗(yàn)室信息管理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此研究中通過快速響應(yīng)碼（Quick Response），即QR Code完成對信息的讀取。二維碼的生成及識別采用Anacoda Pytho3.6編程實(shí)現(xiàn)：二維碼的生成利用依賴于PIL模塊和 qrcode庫的第三方開源模塊——python-qrcod實(shí)現(xiàn);二維碼的識別依賴Opencv以及pyzbar包實(shí)現(xiàn)，先調(diào)用Opencv庫開啟攝像頭進(jìn)行灰度化處理并定位，再利用pyzbar.decode（）解碼函數(shù)讀取二維碼信息，包括判斷版本信息及糾錯(cuò)級別、進(jìn)制轉(zhuǎn)換、將獲取數(shù)據(jù)與解碼關(guān)聯(lián)等操作，最后提取出二維碼的數(shù)據(jù)內(nèi)容和類型，并打印到終端，流程圖5所示。

最后通過與SQlite庫[7]的結(jié)合錄入和存儲相應(yīng)二維碼中實(shí)驗(yàn)器材的信息，并用Pyqt將個(gè)信息采集到信息讀取的過程打包，方便管理人員操作和信息瀏覽。最終的掃描結(jié)果如圖6所示。掃描到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，便于管理。4? 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器人樣機(jī)采用PC為控制平臺，通過二維激光雷達(dá)采集位置距離數(shù)據(jù)，在ROS分布式框架下進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同步定位及地圖構(gòu)建以及導(dǎo)航的功能。并通過二維碼儲存實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)柜的物資信息，通過攝像頭采集數(shù)據(jù)在python中識別二維碼，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室信息管理的功能。通過實(shí)驗(yàn)表明該機(jī)器人具有開源、靈活、易于管理的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人的進(jìn)一步研發(fā)打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陶永，王田苗，劉輝，等.智能機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的思考與建議[J].高技術(shù)通訊，2019，29（2）：149-163.

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[3] 任祥華. 激光雷達(dá)室內(nèi)SLAM方法[D].哈爾濱工程大學(xué)，2018.