【科普】干貨！帶你從0了解移動(dòng)機(jī)器人(三) ——自主導(dǎo)航系統(tǒng)及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以在許多簡(jiǎn)單重復(fù)，危險(xiǎn)的崗位上看到機(jī)器人的身影，移動(dòng)機(jī)器人憑借其在復(fù)雜環(huán)境下工作，具有自行感知、自行規(guī)劃、自我決策功能的能力，它可以在不同的環(huán)境中移動(dòng)并執(zhí)行任務(wù)，在人類社會(huì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。但移動(dòng)機(jī)器人擁有自主導(dǎo)航能力，才能進(jìn)一步完成上訴所設(shè)定的任務(wù)?？梢哉f自主導(dǎo)航能力是移動(dòng)機(jī)器人最為基礎(chǔ)和核心的技術(shù)，而上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)，則進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)器人的完善發(fā)展。在前兩篇文章中，我們介紹了移動(dòng)機(jī)器人的基本概念和硬件組成，本文繼續(xù)深入探討移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航系統(tǒng)及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

一、移動(dòng)機(jī)器人的內(nèi)載算法：

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境的自主導(dǎo)航，就需要解決環(huán)境感知、地圖創(chuàng)建、自主定位、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等一系列核心問題，也就是移動(dòng)機(jī)器人車載內(nèi)算法的解決。移動(dòng)機(jī)器人內(nèi)部算法主要包括導(dǎo)航算法及運(yùn)動(dòng)控制算法。導(dǎo)航算法是指移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中通過傳感器數(shù)據(jù)獲取環(huán)境信息，規(guī)劃路徑并選擇最優(yōu)路徑到達(dá)目的地的算法。運(yùn)動(dòng)控制算法是指移動(dòng)機(jī)器人在到達(dá)目的地后，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)調(diào)整方向和速度的算法。這些算法需要在移動(dòng)機(jī)器人的控制器上實(shí)現(xiàn)，并與傳感器、執(zhí)行器等硬件進(jìn)行交互。

在自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，SLAM技術(shù)是通過激光雷達(dá)傳感器，獲取周圍環(huán)境的信息，實(shí)現(xiàn)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建的過程。相比于視覺傳感器，激光雷達(dá)傳感器不受環(huán)境光照的影響，對(duì)障礙物識(shí)別準(zhǔn)確度與可靠性高。路徑規(guī)劃技術(shù)則是在SLAM建立完整地圖基礎(chǔ)上，按照某種評(píng)價(jià)指標(biāo)尋找一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)無碰撞安全路徑。

SLIM與各領(lǐng)域關(guān)系圖

在運(yùn)動(dòng)控制算法方面，主要有閉環(huán)控制和開環(huán)控制兩種方式。閉環(huán)控制是通過傳感器反饋來調(diào)整控制量，保證移動(dòng)機(jī)器人按照規(guī)劃路徑順利地到達(dá)目標(biāo)位置。而開環(huán)控制則是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，不考慮機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)的影響。開環(huán)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但精度較低，常用于一些簡(jiǎn)單的任務(wù)。

然而由于自主導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、建圖與導(dǎo)航等一系列操作較復(fù)雜，且移動(dòng)機(jī)器人地圖、數(shù)據(jù)信息和運(yùn)行軌跡無法直觀化，為此需要設(shè)計(jì)上位機(jī)將定位、建圖與導(dǎo)航等功能集成到上位機(jī)操作界面，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示移動(dòng)機(jī)器人地圖、數(shù)據(jù)和運(yùn)行軌跡。

二、移動(dòng)機(jī)器人外部調(diào)度軟件和管理平臺(tái)：

調(diào)度軟件和管理平臺(tái)是指在上位機(jī)（服務(wù)器）上實(shí)現(xiàn)的軟件，用于對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制。通過調(diào)度軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的任務(wù)指派、路徑規(guī)劃、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。管理平臺(tái)則提供了對(duì)多臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行管理的功能，包括機(jī)器人的電量控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警處理等。

上位機(jī)軟件主要由２個(gè)主界面組成：主從機(jī)的登錄通信模塊以及移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前話題列表和運(yùn)動(dòng)信息顯示界面、可視化界面以及移動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)設(shè)置和控制模塊顯示界面。上位機(jī)利用全局規(guī)劃與局部規(guī)劃算法完成自主導(dǎo)航功能。上位機(jī)軟件所實(shí)現(xiàn)的

主要功能如下

：１）建立主從機(jī)之間的通信：將兩臺(tái)電腦連接在相同的局域網(wǎng)下，通過上位機(jī)分別獲取主從機(jī)的IP地址以及URL地址，再通過SSH協(xié)議讓從機(jī)登錄主機(jī)并且控制主機(jī)，從而完成登錄通信過程。２）獲取移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前話題列表及運(yùn)動(dòng)信息３）界面可視化及圖層信息獲取與發(fā)布位置信息４）啟動(dòng)設(shè)置與實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人控制

上位機(jī)工作流程圖

移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航系統(tǒng)及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化的關(guān)鍵。在現(xiàn)階段發(fā)展的移動(dòng)機(jī)器人中，底層核心技術(shù)的發(fā)展確實(shí)是非常重要的，相信在未來，隨著機(jī)器人底盤技術(shù)的不斷成熟，我們將會(huì)再更多公共場(chǎng)所看到移動(dòng)機(jī)器人靈活的身姿。這些技術(shù)的應(yīng)用將為倉(cāng)儲(chǔ)和物流等各行各業(yè)帶來更高效、更智能的服務(wù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

審核編輯黃宇