基于 ROS的多功能教育机器人研究与开发

倪琳轩 1 原鹏飞 2 史小露 3

江西洪都航空工业集团有限责任公司 江西南昌 330024

摘要：当前，全球机器人市场规模持续扩大，工业、特种机器人市场增速稳定，全球机器人产业正迎来新一轮增长。但是国内高校还是以系统性的理论教学为主，缺少综合实践能力的培养，导致了高校学生理论功底强、动手能力弱，而企业需要的是理论与实践相结合的人才，这就造成了高校教育与企业需求脱节。

本论文以针对大学生的教育机器人为背景展开。以低成本、易拆装、易使用为基础，研究和设计了一款利用三层底板、螺柱为机器人本体，可以完成机器人移动控制、视频拍摄、机械臂抓取、以及室内导航等任务。

采用ROS机器人操作系统，配合通用底盘、视觉传感器、激光雷达，通过编写各硬件的中间层适配ROS的功能包，最后调用ROS的GMapping和AMCL包完成导航任务。

关键词：教育机器人；ROS；SLAM；导航

1引言

当前，全球机器人市场规模持续扩大，工业、特种机器人市场增速稳定，服务机器人增速突出。技术创新围绕仿生结构、人工智能和人机协作不断深入，产品在教育陪护、医疗康复、危险环境等领域的应用持续拓展，企业前瞻布局和投资并购异常活跃，全球机器人产业正迎来新一轮增长。

根据IFR统计，2017年，预计全球机器人市场规模将达到232亿美元，2012-2017年的平均增长率接近17%。其中，工业机器人147亿美元，服务机器人29亿美元，特种机器人56亿美元。

2教育机器人设计

2.1总体设计

本文将基于ROS（机器人操作系统）设计一款成本低、可拆装、多功能的教育机器人，机器人本体利用上中下三层夹板、固定件、若干六角铜柱以及螺丝组成，部件有主控板、电机控制器、驱动器、电池、电源管理系统、激光雷达和视觉传感器、6自由度机械臂。编码、测试和操作采用该本体搭配的图形化开发环境，利用图形化开发环境，可以通过拖拽连线的方式实现基于ROS系统的机器人应用程序的图形化开发。

2.2电源系统

教育机器人需要一套电源系统提供12V、5V、3.3V四种电压平台，为稳压板、驱动器和电机、主控板、控制板等部件提供稳定的电源供应。

机器人由一块12V聚合物电池供电，输入之后分为三路，一路通过DC/DC开关型稳压芯片降压至5V，提供1.5A电流，然后通过LDO线性芯片降压至3.3V，提供1A电流；另外一路直接连接至电机驱动的模拟电压端；最后一路连接电池充电管理电路。

2.3激光雷达

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

2.4电机控制器设计

电机控制器用来接收主控板的控制命令，然后控制电机按照设定的方向、速度、角度和相应时间进行工作。本论文采用自主设计小型电机控制器LTDriver-DC36.2D4。该型号为通用型直流驱动器，可实现4路直流有刷电机的速度环控制，提供串口通讯方式。

目前机器人本体采用两驱的形式，左轮电机接至MOTORB电机接口，右轮电机接至MOTORC电机接口处，MicroUSB通信接口与机器人控制器连接。

3基于ROS的导航设计

3.1导航规划

导航技术是移动机器人技术的核心和关键技术。自主移动机器人的导航就是让机器人可以自主按照内部预定的信息，或者依据传感器获取外部环境进行相应的引导，从而规划出一条适合机器人在环境中行走的路径，而后按照既定路径规划根据自身定位信息并以轨迹辨别的方式进行移动到达目标的过程。

3.2移动机器人ROS导航

3.2.1ROS导航框架

ROS 导航主要使用Navigation stack进行导航，其过程为首先要获得相关的地图信息，然后进行路径规划，最后发送数据给机器人，并且通过相应的决策层，使其可以实现自主导航的功能。

图1 室内移动机器人导航框架图

3.2.2权值地图Costmap

Costmap权值地图，用来存储一些通过传感器获取的外部传感器信息，通过这些信息处理生成二维的栅格地图，然后在对栅格的占有方式来知晓机器人的导航情况。 

每一个Costmap的基本单元都有255个不同的值，但是在底层只需要3个状态，占有，空闲，和未知。每个状态都有特殊的值分配到Costmap当中。

3.2.3机器人的路径规划层 

移动机器人的路劲规划层可以分为：全局路径规划层，局部路径规划层，行为执行层 。

全局路径规划层：global planner层，依据给点的目标，接受权值地图信息生成全局权值地图，规划出从起点到目标位置的全局路径，作为局部路径规划的参考。全局路径规划层使用D*或者A*算法，基于地图导航，首先通过全局const map进行全局的路径规划，以此来计算出移动机器人从出发点到目标位置点的全局规划路线。

局部路径规划：本地的实时规划是利用base_local_planner包实现的。该包使用Trajectory Rollout 和Dynamic Window approaches算法计算机器人每个周期内应该行驶的速度和角度（dx，dy，dtheta velocities）。

4总结

目前教育机器人已经得到了较大的研究和发展，但依旧存在很多关键性的问题。比如机器人导航、路径规划以及适配多种部件等还存在价格过高，对主控板要去过高等问题。本文借助ROS机器人操作系统，在通用电子部件和树莓派3的基础之上，对导航和机械臂接口层进行优化，针对性的本体设计，对教育机器人外接端口统一设计，最后完成基于ROS的多功能教育机器人设计和实现，具体完成以下内容，

（1）考虑到该产品用于教学的成本问题，采用通用电子部件，完成基于ROS的教育机器人本体设计，设计适配这些通用电子部件的接口中间层软件和硬件。

（2）针对导航系统进行优化，导航系统基于ROS的GMapping包实现，但是GMapping对主控板的性能要求较高，本文的主控板是嵌入式板卡树莓派，无法提供如此高的性能，故需要针对树莓派板卡进行一定的优化，使得在廉价的板卡上也可以完成一定精度的导航和路径规划任务。

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