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智能代步车基于ROS的智能代步车嵌入式运动控制系统

浏览数:99     发布时间:2020-03-17
 

基于ROS的智能代步车嵌入式运动控制系统_计算机软件及应用_IT/计算机_专业资料。基于ROS的智能代步车嵌入式运动控制系统   基于 ROS 的智能代步车嵌入式运动控制系统 摘 要:针对目前智能代步车运动控制系统功耗高、 体积大和开发成本高和工作量大等不足,提出一种基于机器 人操作系统(Robot Operating System,ROS)的智能代步车 嵌入式运动控制系统。 该运动控制系统将 ROS 移植到 arm 嵌 入式板卡,将 arm 作为中央处理器,运用 ROS 中的导航功能 包实现智能代步车的地图建立、 路径规划、 室内外自主导航、 运动控制等功能,最后通过仿真实验验证了该运动控制系统 的可行性。 关键词:机器人操作系统;智能代步车;嵌入式运功控 制系统 中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:2096-1472(2016)-06-48-03 Abstract:In view of some outstanding problems of intelligent electronic scooters,such as the high power consumption,the huge size,the high development costs and heavy workload,the paper proposes an embedded motion control system based on the Robot Operating System(ROS)for intelligent electronic scooters the ROS was ported to the arm embedded board which is used as the central processor in the embedded motion control system.Functions like map building , route planning,indoor and outdoor autonomous navigation and motion control are implemented through the ROS navigation function package.At the end of the paper,the feasibility of the motion control system is verified through the simulation experiments. Keywords: ROS; intelligent electronic scooters; embedded motion control systems 1 引言(Introduction) 随着社会的发展和人类文明程度的提高,人们特别是残 疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量 和生活自由度。智能代步车的出现提高了老年人和残障人士 的行动自由度,受到了社会的普遍关注,将机器人技术[1-4] 应用于智能代步车提高智能代步车的智能化、安全化、实用 化程度具有广泛的应用前景。然而,机器人技术的复杂性和 多任务性给智能代步车运动控制系统程序的编写带来很大 的困难。传统的智能代步车运动控制系统都是开发者单独设 计,在不同的平台间移植需要很大的工作量。机器人操作系 统[5,6](Robot Operating System,ROS)起源于 2007 年斯 坦福大学人工智能实验室与机器人技术公司的项目合作, ROS 是一种分布式处理架构,为机器人系统的开发提供了一 个很好的框架,拥有用于机器人的各种功能包,这些功能包 单独设计,在运行时松散耦合,提高了代码复用率。 控制系统作为智能代步车的核心部分,其性能好坏和开 发周期直接决定着智能代步车的智能化程度、安全性能和使 用成本,如何简单快速地为智能代步车构建运动控制系统是 一个值得深入研究的问题。本文针对智能代步车提出了一种 基于 ROS 的嵌入式运动控制系统, 应用 ROS 提供的功能包实 现智能代步车的定位、导航与控制。 2 运动控制系统硬件设计(Hardware design of motion control system) 智能代步车本体为电动轮椅车,在此基础上进行改装, 增加必要的传感器和嵌入式 arm 开发板,针对不同的任务需 求,在智能代步车本体上安装相应的传感器,如图 1 所示。 智能代步车的底盘为两轮驱动结构,两个驱动轮安装于 车体后方,采用两轮差速驱动的方式实现智能代步车的运动。 驱动轮连接的电机配有两个采集驱动轮滚动的圈数的光电 编码器,可实现对智能代步车运行里程的计算。车体前方装 有万向轮用来控制智能代步车的运动方向,装有 hokuyo 激 光测距仪检测障碍物与智能代步车的距离。智能代步车选用 的定位传感器为 Stargazer 和 gps,选用的 CPU 模块为飞思卡 尔 imx6q, 选用的底层操作系统为 ubuntu armhf 系统和 ROS。 3 运动控制系统软件设计(Software design of motion control system) 在构建运动控制系统软件构架时,既要确保控制系统的 高性能,还要保证控制系统易于扩展和维护,更要与 ROS 系 统软件体系结构相融合。智能代步车软件系统按程序实现流 程划分,主要分为人机交互层、决策层、控制层、感知层, 各层间相互关系如图 2 所示。 智能代步车任务实现流程主要分为三个环节: (1)用户通过人机交互层将任务传达给智能代步车。 (2)决策层通过感知层传达的数据信息确定机器人所 处的外部环境状态和代步车的运动状态,并据此做出决策。 (3)依据决策结果,由驱动层选择合适的控制策略, 实现预定的工作任务。 任务执行过程中,内传感器实现对智能代步车运动状态 的描述,外传感器感知外部工作环境信息。感知层将所获取 的智能代步车运动状态及工作环境状态反馈给系统决策层 并作为决策依据。从图 2 中可知,人机交互系统与决策系统 之间存在双向信息传播。一方面,操作者通过人机交互层向 智能代步车传送任务命令;另一方面,决策层实时向人机交 互层传送智能代步车运行状态及外部工作环境状态,并通过 可视化技术在人机交互界面上显示。在决策层与驱动层之间 同样存在双向信息传递:决策层把决策结果传递给驱动层, 作为驱动层运行的依据;同时,驱动层将把执行的结果反馈 给决策层,供决策系统参考并做出相应调整。 机交互层 3.1 人 人机交互层与决策层通过以太网连接,可显示决策层建 立的室内地图和规划的路径。人机交互层的操作界面为一台 平板电脑,可实时监控显示智能代步车的运行位置和运行状 态,用户可通过触屏的方式向智能代步车发送运动控制指令 和导航指令,比如用户可以通过人机交互层设定智能代步车 的起始点、目标点位置,系统会将该指令通过以太网传输给 决策层,决策层经过计算处理后得出路径导航规划方案,以 实现对智能代步车的控制。当出现紧急情况时,用户可通过 人机交互层及时介入系统导航决策过程,以避免危险事故的 发生。图 3 为导航过程在人机交互层的显示。 3.2 决策层 决策层为飞思卡尔 imx6q 开发板,软件开发系统环境为 ubuntu armhf 系统、 ROS 系统, 主要实现功能包括建立地图、 自主导航和运动控制[7-9]。当智能代步车处于地图创建模式 时,决策层调用 ROS 中的 gmapping 功能包,通过手动控制 模式控制智能代步车在未知环境中移动,在移动过程中根据 位置估计和地图进行自身定位,在自身定位的基础上创建 SLAM 栅格地图,并将地图信息发布给人机交互层显示;当 智能代步车处于运动控制模式时,决策层从人机交互层读取 运动控制指令,并通过话题“cmd_vel”发布出去;当智能代 步车处于自主导航模式时,决策层调用 ROS 中 navigation 功 能包, 并接收感知层采集到的传感器信息, 经过一系列计算, 输出智能代步车的速度并通过 cmd_vel”发布出去[9]。 决策层中的运动学模块订阅到 “cmd_vel” 发布的线速度 和角速度后,根据运动学模型可计算出左右轮速度,如图 4 所示。O1、O2 分别是左、右驱动轮的轮心,轮间距 O1O2 为 l,C 为 O1O2 的中心, 、 、分别为左、右驱动轮及智能代步 车中心的速度。 智能代步车做圆弧运动。 3.3 驱动层 驱动层主要由控制部分和被控制部分组成, 如图 5 所示。 控制部分即控制器,被控部分即电机。图中带叉号的圆圈为 比较环节,用来将输入与输出相减,给出偏差信号。控制器 通过接收决策层输出的控制指令和智能代步车的实际速度 计算偏差,再由偏差产生作用去消除偏差,对电机发出控制 信号。电机在控制信号的作用下实现被控运动,从而驱动智 能代步车以预定的速度运行。 3.4 感知层 感知层主要包括外部激光传感器、stargazer、gps 和内部 的光电编码器。激光传感器用来获取智能代步车周围障碍物 的距离信息,为建立地图和自主避障提供信息。stargazer 通 过对标签的识别实现室内定位功能。室外多属于公共场所, 相比室内环境复杂,因此采用 GPS 获取自身所在的位置和航 向角信息。光电编码器可以检测电机的转过的圈数,通过公 式(5)―(7)实现里程计和速度的计算。 在车体不发生侧滑的情况下,车体方位与左右轮运动速 度和具有如下关系: 根据编码器的采样信息, 将公式 ( 5) ― (7) 两边积分, 可实时计算出智能代步车车体方位。 4 仿真实验(Simulation experiment) 为了验证运动控制系统的有效性,在 rviz 仿真平台上结 合 ROS 对建立的运动控制系统进行了仿真实验,对其运动性 能进行了分析。实验首先运行核心节点 roscore,然后启动已 经创建好的智能代步车自主导航节点,并在 rviz 中导入已有 的环境地图, 通过 rviz 窗口最顶端 “2D Pose Estimate” 和 “2D Nav Goal” 设置智能代步车的初始位置和目标位置。 通过图 6 可以看出,在地图中任意选择一个目标点,智能代步车都能 够规划出一条最优路径完成并到达指定位置。图 6 中黄色的 箭头表示智能代步车前进的方向,绿色的实线代表 ROS 规划 的路径。 5 结论(Conclusion) 本文提出的基于 ROS 的智能代步车嵌入式运动控制系统 具备室内外定位导航功能,体积小、功耗低,运用 ROS 中基 于扩展卡尔曼滤波器同时定位与地图创建方法构建定位系 统和 SLAM 地图,依靠 ROS 中已有的 Dijkstra 最优路径算法 计算出智能代步车到达目标位置的最优路径,通过两轮差速 的驱动方式实现从当前位置安全到达地图中其它指定位置。 本文提出的嵌入式运控制系统利用了 ROS 的软件架构和 导航功能包,开发人员只需要少量的编程工作即可构建一套 较为完整的运动控制系统,使得软件搭建工作更方便,效率 更高。 参考文献(References) [1] Liangwen Wang,et al.A geometric approach to solving the stable workspace of quadruped bionic robot with hand foot-integrated function[J].Robotics and Computer Integrated Manufacturing,2016:13. [2] Hong Zhang,et al.Adaptive incremental learning of image semantics with application to social robot[J].Neurocomputing,2016:173. [3] Rai-Wung Park.Nonlinearity Estimation and Compensation for Robust Paths and Forces Control of Robot[J].British Journal of Applied Science & Technology, 2015, 7(2) :224-236. [4] Maciej Petko,Grzegorz Karpiel,Konrad Gac,Grzegorz Góra,Konrad kobus,hatronics,2016, 8:100-111. [5] 张建伟,等.开源机器人操作系统 ROS[M].北京科学 出版社,2012:9-24. [6] 马丁内斯.刘品杰, 译.ROS 机器人程序设计[M].北京: 机械工业出版社,2014. [7] http:navigation/Tutorials/RobotSetup. [8] http://wiki.ros.org/gmapping. [9] 高雅, 李晓娟, 关永.运用定理证明器 ACL2 验证机器 人操作系统 ROS 节点间通信[J].小型微型计算机系统,2014, 35(9) :2126-2130. 作者简介: 史小露(1987-) ,女,硕士,设计师.研究领域:机器人 操作系统,嵌入式开发. 郑友胜(1982-) ,男,博士,高级工程师.研究领域:机 器人操作系统,智能控制系统. 张 磊(1986-) ,男,硕士,工程师.研究领域:飞机航 空电子总体设计天下棋牌 天下棋牌app 天下棋牌手机版官网 天下棋牌游戏大厅 天下棋牌官方下载 天下棋牌安卓免费下载 天下棋牌手机版 天下棋牌大全下载安装 天下棋牌手机免费下载 天下棋牌官网免费下载 手机版天下棋牌 天下棋牌安卓版下载安装 天下棋牌官方正版下载 天下棋牌app官网下载 天下棋牌安卓版 天下棋牌app最新版 天下棋牌旧版本 天下棋牌官网ios 天下棋牌我下载过的 天下棋牌官方最新 天下棋牌安卓 天下棋牌每个版本 天下棋牌下载app 天下棋牌手游官网下载 老版天下棋牌下载app 天下棋牌真人下载 天下棋牌软件大全 天下棋牌ios下载 天下棋牌ios苹果版 天下棋牌官网下载 天下棋牌下载老版本 最新版天下棋牌 天下棋牌二维码 老版天下棋牌 天下棋牌推荐 天下棋牌苹果版官方下载 天下棋牌苹果手机版下载安装 天下棋牌手机版 天下棋牌怎么下载不了 天下棋牌老版本 天下棋牌官方最新下载 天下棋牌安卓版 天下棋牌室 天下棋牌官方 天下棋牌官方正版 天下棋牌吧 天下棋牌官网 天下棋牌下载 天下棋牌手游 天下棋牌首页 天下棋牌app下载 天下棋牌最新版下载 天下棋牌app官网版下载 天下棋牌游戏手机版下载



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