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機(jī)器人項(xiàng)目涉及的技術(shù)

新機(jī)器視覺 ? 來源:新機(jī)器視覺 ? 2023-06-28 17:00 ? 次閱讀

【導(dǎo)讀】很多小伙伴都對(duì)機(jī)器人非常感興趣,但是不知道一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)有哪些部分組成,到底是怎么實(shí)現(xiàn)的?今天我就以一個(gè)做項(xiàng)目的角度出發(fā)來告訴大家如何設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人,就以一個(gè)遠(yuǎn)程遙控的機(jī)器人為例來展開。 所謂遠(yuǎn)程遙控,就是遙控端通過天線或是5G遠(yuǎn)程向機(jī)器人發(fā)送指令,機(jī)器人端通過各種傳感器融合技術(shù),比如激光雷達(dá),深度相機(jī),超聲波等傳感器,對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行感知,并將感知結(jié)果通過傳感器融合技術(shù)發(fā)送給主控單元,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在未知環(huán)境中半自主或自主工作。 此文章旨在讓大家了解一個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目涉及的技術(shù),并且是如何實(shí)施的,不做具體技術(shù)的討論。

01機(jī)器人系統(tǒng)組成

我們就以一機(jī)械狗為載體來展開,涉及到的一些技術(shù)不一定是機(jī)械狗上有的技術(shù),本文只是以機(jī)械狗作為一個(gè)載體來說明無(wú)人裝備涉及的一些技術(shù),其實(shí)換做無(wú)人機(jī),無(wú)人車也都是可以的。 下圖為一個(gè)機(jī)械狗的系統(tǒng)組成,列舉了比較熱門和主要的技術(shù),還有一些技術(shù)未列出,但不影響如何設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)。 605bf684-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 機(jī)器人一般有三大塊組成: 1、機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2、硬件電路設(shè)計(jì) 3、控制算法、感知決策算法設(shè)計(jì) 本文也是從這三大塊開始入手,剖析機(jī)器人設(shè)計(jì)涉及的一些技能。 上面這副系統(tǒng)圖所表達(dá)的一個(gè)機(jī)器人的流程就是: (1)操作員通過給出所需的平動(dòng)速度60871288-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png和轉(zhuǎn)向率6096f586-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png來的高級(jí)命令 (2)接收到高級(jí)命令,CoM參考軌跡生成并傳送給身體和腿部控制器 (3)控制器根據(jù)用戶輸入命令和機(jī)器人狀態(tài),如果腿處于腿在擺動(dòng)中,則使用“擺動(dòng)腿控制器”,如果腿處于腿在支撐中,則使用“力控支撐腿控制器” (4)力和位置指令被發(fā)送到微控制器,用于將電機(jī)指令傳遞給機(jī)器人的每條腿。 (5)如果對(duì)機(jī)械狗還有更高的要求,比如自主導(dǎo)航等,則可以在工控機(jī)中運(yùn)行SLAM或者AI等算法。 ?

02機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)部分

涉及到的技能:1)動(dòng)力學(xué);2)運(yùn)動(dòng)學(xué);3)系統(tǒng)仿真 涉及到的軟件:1)三維設(shè)計(jì)軟件(solidworks,UG,CATIA等);2)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件(Adams,CoppeliaSim 等);3)系統(tǒng)仿真軟件(CoppeliaSim ,Webots等);4)有限元仿真如軟件(Ansys或Abuqus等) 當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人本體的時(shí)候,我們通常最關(guān)心兩個(gè)問題,一個(gè)是本體能否承受較大的載荷也即動(dòng)力學(xué)問題,第二個(gè)是本體是否能按照我設(shè)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)也即運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。 動(dòng)力學(xué)問題首先要考慮的就是動(dòng)力源的來源,比如電機(jī),液壓缸,電動(dòng)缸等等,以機(jī)械狗為例,機(jī)械狗首先要考慮的就是動(dòng)力問題,動(dòng)力是否強(qiáng)勁,是否能滿足機(jī)械狗的基本要求,下圖就是機(jī)械狗的電機(jī)結(jié)構(gòu),你可以輕松猜到設(shè)計(jì)者的意圖,設(shè)計(jì)者講電機(jī)、行星減速機(jī)以及機(jī)械狗的外殼合二為一了,一方面降低了機(jī)械狗的重量,減小了慣量,另一方面節(jié)省了機(jī)械狗的空間,使得腿部更容易做出各種動(dòng)作。 60ac07e6-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 有了基本的設(shè)計(jì)方案以后,我們還需要對(duì)電機(jī)力矩進(jìn)行校核,分析機(jī)器人受力情況,這就設(shè)計(jì)到動(dòng)力學(xué)公式,比如牛頓三定律,達(dá)朗貝爾定律,拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程等等,往往一種方程無(wú)法解決全部問題,所以需要這些方程的配合。在使用這些公式的時(shí)候要求我們學(xué)會(huì)將復(fù)雜模型簡(jiǎn)單化,以方便對(duì)其進(jìn)行建模,比如機(jī)械狗的腿部就可以簡(jiǎn)化成下圖所示: 60c10cc2-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg ? 下面我來舉個(gè)例子讓大家感受一下不同動(dòng)力學(xué)方程的作用: ? 2.1 達(dá)朗貝爾方程舉例 汽車連同貨物的總質(zhì)量是60df6c44-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png其質(zhì)心60ee2de2-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png離前后輪的水平距離分別是60fbf4c2-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png611452e2-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png,離地面的高度是6125c27a-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png。當(dāng)汽車以加速度61332758-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png沿水平道路行駛時(shí),求地面給前、后輪的鉛直反力。輪子的質(zhì)量不計(jì)。 61493458-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 達(dá)朗貝爾的思想就是本來一個(gè)不平衡的系統(tǒng),引進(jìn)了慣性力以后,就可以把他當(dāng)作一個(gè)靜平衡系統(tǒng)來看待。 616584f0-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png 聯(lián)立可以解得:? 6173cea2-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png 如果沒有達(dá)朗貝爾原理,求起來還是相當(dāng)費(fèi)勁的。 2.2 拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程舉例 即所有廣義坐標(biāo)都互相獨(dú)立,則拉格朗日方程成立: 61877d44-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png 其中619b5b98-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png是拉格朗日量,61ab05b6-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png是廣義坐標(biāo),61b9bf52-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png是時(shí)間61cdeb12-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png的函數(shù),61e154e0-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png是廣義速度,61ef3e7a-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png是對(duì)應(yīng)的廣義力。 在力學(xué)建模中,拉格朗日量定義為動(dòng)能減去勢(shì)能,即 62014584-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png 其中,621519e2-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png為系統(tǒng)中的總動(dòng)能,?622bdc4a-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png為系統(tǒng)中的總勢(shì)能。 下面舉一個(gè)常見的倒立擺的建模過程,有如下的倒立擺,小車的質(zhì)量為6242a128-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png,小球的質(zhì)量為6251dcc4-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png,桿長(zhǎng)為6260a92a-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png,外力6277b480-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png作用于小車: 628ee948-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 首先分析,系統(tǒng)中的廣義坐標(biāo)有兩個(gè):62a20794-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png,所謂廣義坐標(biāo)的意思就是所選取的變量可以唯一確定這個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài),比如小車的位置和擺桿的角度就可以確定這個(gè)系統(tǒng)的位置。因此,對(duì)小車我們有: 62b31868-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png 對(duì)桿,它的水平位移和豎直位移分別為62c242d4-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png,62d45780-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png,所以 62e2d2f6-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png 于是拉格朗日量為: 62f2d94e-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png 所以 63013e3a-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png 依據(jù)拉格朗日方程, 631b167a-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png6327c190-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量,我們把上式中的6337a8f8-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png6348e8c0-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png作為未知變量求解,經(jīng)過繁瑣的化簡(jiǎn)和整理,可得: 6358975c-1591-11ee-962d-dac502259ad0.png 顯然,這是一個(gè)非線性非定常微分方程。擺桿在豎直狀態(tài)時(shí)附近可以看作是線性的,采用拉普拉斯變換即可。 ? 得到系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程后就可以進(jìn)行各種控制,比如LQR,MPC等算法控制。 ? 上述是幾種動(dòng)力學(xué)計(jì)算的方程,機(jī)器人設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)用到,有了這些計(jì)算得到的公式,有了這些計(jì)算公式,我們很容易得到一些構(gòu)件的受力情況,但是如果一個(gè)構(gòu)件和其他很多構(gòu)件連接,受力形式非常復(fù)雜,那么動(dòng)力學(xué)公式將無(wú)從下手,因此我們就需要用到動(dòng)力學(xué)仿真軟件,比如Adams直接進(jìn)行仿真,如下面機(jī)械臂就可以通過Adams軟件對(duì)各個(gè)軸進(jìn)行受力分析,運(yùn)動(dòng)速度,角速度等進(jìn)行分析。 6365a19a-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 機(jī)械臂關(guān)節(jié)角位移和角速度Adams仿真 我們現(xiàn)在已經(jīng)可以可以通過方程計(jì)算或者仿真得到了各個(gè)構(gòu)件的受力,運(yùn)動(dòng)軌跡等了,但是我們還會(huì)面臨一些結(jié)構(gòu)件校核的問題,比如我計(jì)算出機(jī)械狗一條腿的支撐力是100N,起跳時(shí)候支撐力達(dá)到了200N,那么我的腿部構(gòu)件是否可以支撐這么大的力量呢?如果構(gòu)建比較簡(jiǎn)單,我可以通過力學(xué)方程計(jì)算構(gòu)件受力并且和構(gòu)件的材料屈服強(qiáng)度作比較,看是否滿足要求,但是如果構(gòu)件形狀比較復(fù)雜呢?通過公式就無(wú)法解決,就需要用到有限元仿真比如Ansys,有限元仿真不但可以仿真構(gòu)件受力情況,而且可以對(duì)構(gòu)件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,使的用最少的質(zhì)量滿足受力要求,比如下圖,最左邊是設(shè)計(jì)者最開始設(shè)計(jì)的形狀,通過一步一步優(yōu)化得到最佳的構(gòu)件形狀,即質(zhì)量減少了又保證了構(gòu)件強(qiáng)度。 63783332-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 機(jī)械狗的腿部結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,不然這么大的慣量,非常影響機(jī)械狗的控制算法。 638dfa8c-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 經(jīng)過上面一波分析以后,我們還需要驗(yàn)證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué),比如機(jī)械狗的行走軌跡,機(jī)械狗的行走軌跡一般都要借助于仿真軟件輔助分析。 63a09728-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 比如CoppeliaSim ,就相當(dāng)于是一個(gè)實(shí)物,你可以對(duì)其像對(duì)真實(shí)的機(jī)械狗進(jìn)行控制一樣,起到提前驗(yàn)證,減少試錯(cuò)成本的效果。

03機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)

需要掌握的技能:模電/數(shù)電;硬件原理圖,硬件PCB制版;硬件調(diào)試;EMC/EMI分析; 需要掌握的軟件:PCB制板(Altium Design,Allegro Viewer),電路仿真軟件(PSPICE),信號(hào)仿真軟件(HyperLynx), 硬件電路設(shè)計(jì)的第一步就是要根據(jù)機(jī)器人所具有的功能畫出電路原理圖,再根據(jù)原理圖布置PCB板,用到的軟件為Altium Design或者Allegro Viewer等,對(duì)于技術(shù)棧偏硬件的建議選用Altium Design或者Allegro功能完整,自定義程度高,支持很多插件,不過上手難度稍大一些。而不常畫板子的可以用立創(chuàng)EDA即可,還集成了器件庫(kù),方便在制作同時(shí)就能找到可以買到的器件,不用自己去淘寶或者立創(chuàng)商城搜索。 電路板設(shè)計(jì)完成后還要進(jìn)行PSPICE電路仿真,防止有短路等情況發(fā)生;信號(hào)仿真,防止信號(hào)有干擾等。 一般底層控制器用的最多的就是單片機(jī),比如STM32,用來控制步進(jìn)電機(jī),舵機(jī)等等,可以脈沖控制,也可以走通信控制,比如RS485,CANopen等,(例如機(jī)械狗用了2顆STM32作為主控,用12顆STM32作為子控制單元,來控制機(jī)械狗四條腿部的運(yùn)動(dòng)),單片機(jī)搭配外圍電路就構(gòu)成了一個(gè)完整的PCB板,如下圖所示。 63b49732-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg Altium Design設(shè)計(jì)的電路原理圖 63d854d8-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 機(jī)械狗的PCB板 制版完成后要對(duì)PCB板進(jìn)行全方位的測(cè)試,用到的儀器儀表包括電烙鐵,萬(wàn)用表,示波器,邏輯分析儀,誤碼儀,傳輸分析儀,以太網(wǎng)測(cè)試儀Smartbits/IXIA,熱量計(jì),衰減器,光功率計(jì),射頻信號(hào) 強(qiáng)度計(jì)等等。尤其對(duì)于電源電路的測(cè)試,現(xiàn)在芯片電壓多樣化,電壓越來越低,電流越來越大,運(yùn)營(yíng)商對(duì)于通信設(shè)備功耗的嚴(yán)格要求,散熱要求,對(duì)于電源設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)越來越 大??梢哉f,對(duì)于一個(gè)硬件設(shè)計(jì)來說,40%的工作都是在于電源電路的原理圖/PCB設(shè)計(jì)和后期測(cè)試驗(yàn)證,電源電路設(shè)計(jì)是硬件工程師電路能力的集中體現(xiàn),各種被動(dòng)器件、半導(dǎo)體器件、保護(hù)器件、DC/DC轉(zhuǎn)換典型拓?fù)?,都有很多參?shù),公式需要考慮到,計(jì)算到。下面是用示波器進(jìn)行信號(hào)采集分析,電源波紋分析等。 63ebf5b0-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 示波器采集信號(hào) 除此之外還要進(jìn)行電磁干擾,射頻干擾測(cè)試,屬于EMC/EMI范疇,目的就是防止外部電磁場(chǎng)或者靜電對(duì)PCB板的干擾,同時(shí)也要防止自己本身對(duì)周邊電子設(shè)備的干擾。 64030a7a-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg EMC干擾測(cè)試 不但要自己設(shè)計(jì)電路板,還要會(huì)各種CPU選型,比如M68k系列,PowerPC860,PowerPC8240,8260體系等,機(jī)械狗除了本身需要設(shè)計(jì)的PCB控制板外,還會(huì)使用到現(xiàn)有的處理器,比如: 波士頓動(dòng)力的機(jī)器狗Spot的內(nèi)置處理器完全專用于機(jī)器狗的移動(dòng)和導(dǎo)航,不支持客戶使用。如果客戶想要處理和分析來自Spot或其搭載的任何傳感器的數(shù)據(jù),需要額外加裝計(jì)算機(jī)或是支付3925美元購(gòu)買波士頓動(dòng)力提供的名為Spot CORE的附加處理器。Spot CORE的規(guī)格如下:

CPU=i5 Intel 8th Gen (Whiskey lake-U) Core CCG Lifecycle

操作系統(tǒng)=Ubuntu Desktop 18.04 LTS 64-bit

RAM=16 GB DDR4 2666 MHz

SSD=512 GB SSD

如果要在Spot上運(yùn)行計(jì)算密集型任務(wù),例如機(jī)器學(xué)習(xí),則可以支付24500美元購(gòu)買波士頓動(dòng)力提供的名為Spot CORE AI的附加開發(fā)環(huán)境,其規(guī)格如下:

CPU=Intel Xeon E3-1515M V5

GPU=NVIDIA P5000

操作系統(tǒng)=Ubuntu Desktop 18.04 LTS 64-bit

CPU RAM=32 GB

SSD=480GB mSATA SSD

04機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

軟件部分分為底層控制軟件和上層軟件 4.1 底層控制軟件 掌握的技能:嵌入式編程C語(yǔ)言,freeRTOS操作系統(tǒng) 掌握的軟件:單片機(jī)編程軟件(keil,VSCode,Ozone等),調(diào)試軟件(串口調(diào)試助手等) 現(xiàn)在主流的控制方案還是使用單片機(jī),但是大有和桌面端統(tǒng)一的趨勢(shì),各種ROS支持的串口/FDCAN/Ether總線都能流暢運(yùn)行,工業(yè)界也在積極適配x86和arm64平臺(tái)的支持。linux的實(shí)時(shí)性也可以通過real time kernel patch得到提升,典型響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)可以做到0~50ns,和單片機(jī)別無(wú)二致。 以STM32系列為例,很多老人都習(xí)慣用arm家的KEIL,網(wǎng)上很多教程也都是基于keil的,但keil主題支持和代碼高亮智能提示檢查等實(shí)在太落后了,甚至無(wú)法設(shè)置多線程編譯,用起HAL庫(kù)簡(jiǎn)直是一種折磨。推薦在學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)一段時(shí)間后,使用clion或vscode替代keil編程,利用ozone進(jìn)行可視化的調(diào)試,通過segger RTT viewer來進(jìn)行日志打印。 另外單片機(jī)是屬于單線程的程序架構(gòu),可以通過已知freeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),使其變成多線程的,這樣可以大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,對(duì)于重要的任務(wù)可以給予更高的優(yōu)先級(jí),使其最先得到執(zhí)行。

642a3a32-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg

freeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)示意圖 對(duì)于單片機(jī)開發(fā),推薦的軟件如下:

keil,上手難度低,新手入門用。

VSCode,定制化程度極高,但不是keil一般開箱即用,需要有一定的基礎(chǔ)并進(jìn)行一些配置。

Ozone,SEGGER家的調(diào)試器(也就是做jlink的公司)。可視化調(diào)試是它的大殺器,和大家習(xí)慣的串口調(diào)試不同,他的調(diào)試信息是通過DBG發(fā)送的,也就是調(diào)試器連接的那幾條線,通過這個(gè)方式調(diào)試不會(huì)占用系統(tǒng)的資源,能夠以非阻塞的方式全速運(yùn)行。

串口調(diào)試助手:推薦串口調(diào)試助手(就叫這個(gè)名字,在microsoft商店可以直接安裝,圖標(biāo)就是一個(gè)9線的485串口)和VOFA,后者的圖形化做的很好可以支持?jǐn)?shù)據(jù)可視化。Linux下的替代品是cutecom和minicom,也有VOFA。

4.2 上層控制軟件 需要掌握的技能:Linux操作系統(tǒng)、Ubuntu系統(tǒng)、ROS系統(tǒng) 需要掌握的軟件:ROS操作系統(tǒng),VScode等 6442e9b0-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 機(jī)器人用到的控制器幾乎都是linux系統(tǒng),linux操作系統(tǒng)有很多的優(yōu)點(diǎn),運(yùn)行空間占用內(nèi)存小,可裁剪,可定制化等,在學(xué)習(xí)Linux的過程中,要了解開源軟件的運(yùn)行模式,文件系統(tǒng)和內(nèi)核以及shell的概念,至于bootloader和虛擬內(nèi)存、分頁(yè)機(jī)制等最好也了解,包管理器和基本的終端命令則是一定要掌握的。還要了解編譯器相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí),學(xué)習(xí)在沒有IDE支持下如何編譯c代碼。make和cmake則是linux環(huán)境下構(gòu)建項(xiàng)目的必選項(xiàng),ROS的構(gòu)建系統(tǒng)catkin_make就是基于cmake打造的。 ? 至于ROS,這是工業(yè)4.0時(shí)代必學(xué)的軟件。ROS實(shí)際上并不是操作系統(tǒng),而是提供了一套完整的機(jī)器人開發(fā)軟件棧,封裝了包括模塊間消息交互(這是ROS最重要的功能之一)、可視化、仿真在內(nèi)的各種功能。雖然ROS目前提供了windows下的試驗(yàn)支持,但還是推薦在Linux系統(tǒng)下開發(fā),也就是說,Linux是學(xué)習(xí)ROS的必要條件。 ?

05機(jī)器人算法設(shè)計(jì)

控制算法分為兩種:機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法和基于大模型的算法 5.1 基于大模型的算法 機(jī)器人算法最核心的一個(gè)功能就是自主導(dǎo)航定位技術(shù) 傳統(tǒng)方案:SLAM+路徑規(guī)劃+運(yùn)動(dòng)控制 現(xiàn)代方案:深度學(xué)習(xí)+運(yùn)動(dòng)控制 現(xiàn)代方案和傳統(tǒng)方案的區(qū)別:傳統(tǒng)方式是用概率學(xué),或者控制論的方式進(jìn)行機(jī)器人自主定位導(dǎo)航。但通過深度學(xué)習(xí),直接通過攝像頭數(shù)據(jù)作為信號(hào)輸入,再通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接產(chǎn)生出機(jī)器人的控制信號(hào)。其中像 SLAM 的過程、路徑規(guī)劃的過程,完全可以通過深度學(xué)習(xí)的方式就可以進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。下圖是通過ROS的SLAM開發(fā)包進(jìn)行的建圖,并通過RVIZ進(jìn)行顯示。 6460536a-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg SLAM 建圖 另外機(jī)器人主流的感知算法仍然是機(jī)器視覺,因此OpenCV是必須掌握的計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)。 ? 在圖像處理之外,基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)/分割算法也不可或缺。推薦使用PyTorch構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。要使用PyTorch,基本的一些機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)算法,需要使用python下的ski-learn庫(kù)。 ?

64834be0-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 關(guān)于定位和建圖(SLAM),使用最多的軟件自然還是ROS,如果要處理點(diǎn)云,PCL(point cloud library)是不可或缺的,Eigen(矩陣運(yùn)算庫(kù))、g2o(圖優(yōu)化庫(kù))、ceres(非線性最小二乘庫(kù))以及一些處理李群的庫(kù)。 64a0d1c4-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 點(diǎn)云處理 5.2 運(yùn)動(dòng)控制算法 運(yùn)動(dòng)控制算法包括LQR,MPC,WBC等算法,傳感器融合算法,全局規(guī)劃A*算法,局部規(guī)劃DWA算法等。 機(jī)械狗一般都采用WBC(優(yōu)化后的MPC)等算法 64b80b14-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg WBC算法(優(yōu)化后的MPC) 算法可以說是機(jī)器人的靈魂,算法涉及到很深的數(shù)學(xué)和力學(xué)功底,比如要知道動(dòng)力學(xué),坐標(biāo)系變換,線性代數(shù)矩陣變換等等,比如機(jī)械狗的運(yùn)動(dòng)學(xué)就涉及到坐標(biāo)變換,將對(duì)軀干質(zhì)心的速度/位移要求轉(zhuǎn)換到四肢上。 64d5a282-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 機(jī)械狗坐標(biāo)變換 傳感器融合算法比較常見的如使用EKF(卡爾曼濾波)或ESKF(擴(kuò)展卡爾曼濾波)來實(shí)現(xiàn)(一般常見于LIO當(dāng)中),當(dāng)然還有其他各種先進(jìn)的算法,卡爾曼濾波用的最為廣泛,通過對(duì)傳感器的濾波,使得得到的數(shù)據(jù)更為光順。 64eb3624-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合 全局規(guī)劃A*算法,通過預(yù)先建立好的地圖,可以使得機(jī)械狗運(yùn)行到任意指定的終點(diǎn)位置。 6500221e-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg 不同改進(jìn)型的A*算法效果 DWA局部規(guī)劃算法,機(jī)械狗在全局規(guī)劃好的路線中運(yùn)行時(shí),難免會(huì)遇到局部多出的障礙物,這個(gè)障礙物在預(yù)先建圖的時(shí)候并不存在,這個(gè)時(shí)候就需要機(jī)械狗臨時(shí)對(duì)這個(gè)障礙物進(jìn)行避障,這也是局部規(guī)劃的主要任務(wù)。 6522dd5e-1591-11ee-962d-dac502259ad0.jpg DWA局部規(guī)劃算法

06結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì),涉及很多學(xué)科的交融,可以說是各個(gè)學(xué)科中比較尖端的存在,因此也決定了一款機(jī)器人產(chǎn)品想要商業(yè)化也變的非常困難,但是技術(shù)在不斷的進(jìn)步,相信這些問題終將不是問題,例如最近非?;鸬腃hatGPT,就為機(jī)器人的智能化發(fā)展提供了一些思路??傊畽C(jī)器人的未來正變得越來越光明。

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原文標(biāo)題:你知道一個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目都涉及哪些技術(shù),怎么組織起來的嗎?

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