智能避障循跡小車控制系統(tǒng)的硬件和軟件平臺設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u204691硬件平臺的搭建 185761.1整體硬件 1195931.2傳感器設(shè)計(jì) 2159081.3傳感器 3235841.3.1內(nèi)部傳感器 322901.3.2外部傳感器 342501.4工控機(jī) 4102322.5單片機(jī)驅(qū)動模塊 532811.6本章小結(jié) 5316482.軟件平臺——ROS 6155052.1ROS特點(diǎn) 6249092.2ROS的具體結(jié)構(gòu) 6198042.3ROS最小運(yùn)行單元——節(jié)點(diǎn) 719472.4ROS的功能包 8302182.5本章小結(jié) 91硬件平臺的搭建小車在運(yùn)行過程中，需要多方數(shù)據(jù)的分析與處理。為了實(shí)現(xiàn)小車的自動導(dǎo)航與遠(yuǎn)程控制等功能。需要在小車上配備內(nèi)部傳感器、外部傳感器、工控機(jī)以及單片機(jī)驅(qū)動模塊等硬件。共同組成小車硬件平臺，以此作為小車實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航的基礎(chǔ)。本章設(shè)計(jì)了小車上的硬件，并對傳感器原理做了分析。1.1整體硬件小車的硬件電路主要功能分為供電電路、驅(qū)動電路和串口通信電路。其中供電電路可以分為對激光雷達(dá)的供電、對單片機(jī)的供電以及對工控機(jī)的供電，驅(qū)動電路為從單片機(jī)中發(fā)出的PWM波需要輸出到舵機(jī)和電機(jī)上，串口通信電路為上位機(jī)需要與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)的硬件電路需要以穩(wěn)定性和可靠性為主要木丁，在進(jìn)行PCB布局時需要合理規(guī)劃，盡可能縮小電路板，防止遠(yuǎn)距離的信號干擾，以達(dá)到穩(wěn)定的效果。圖2.1小車PCB電路板小車配備工控機(jī)，通過Linux系統(tǒng)下的ssh命令，可以通過自己的電腦遠(yuǎn)程操縱小車，通過激光雷達(dá)所掃描的地圖，可在上位機(jī)中傳入目的地參數(shù)，利用A*算法、TEB算法和速度控制PID算法，獲取當(dāng)前需要的電機(jī)速度以及舵機(jī)打角。通過串口電路設(shè)計(jì)，將參數(shù)傳入到下位機(jī)中，下位機(jī)通過一定的脈沖信號用于控制電機(jī)以及舵機(jī)。以此達(dá)到智能避障循跡的功能。圖2.2小車整體架構(gòu)圖1.2傳感器設(shè)計(jì)當(dāng)小車處于一個未知或者部分已知的環(huán)境中，需要通過小車上配備的傳感器完成對自身的位姿估計(jì)和構(gòu)建當(dāng)前地圖。位姿估計(jì)和構(gòu)建地圖是小車路徑規(guī)劃的關(guān)鍵。用于小車的傳感器可以分為外部傳感器和內(nèi)部傳感器，外部傳感器負(fù)責(zé)獲取外圍的環(huán)境信息，如激光雷達(dá)、光電傳感器等。內(nèi)部傳感器是負(fù)責(zé)獲取小車本身的信息的，可以獲取小車自身的速度、加速度、擺動角度等，如陀螺儀、慣性測量儀器、編碼器等。每個傳感器都有自己的特點(diǎn)，不同的傳感器獲取的信息以及準(zhǔn)確程度各不相同，且可能會存在較大差異，并且每個傳感器所使用的算法也是不同的，所以要根據(jù)小車實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境以及所要求的信息來選擇符合條件的傳感器。1.3傳感器1.3.1內(nèi)部傳感器在小車實(shí)際運(yùn)行過程中，從上位機(jī)所發(fā)布的速度信息指令被下位機(jī)接收到之后，下位機(jī)會按照規(guī)定的速度信息去完成一個動作，但是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，車輛很可能會發(fā)生一些未知情況，如行駛漂移、打滑等，造成速度信息匹配不一致的情況存在，小車控制機(jī)構(gòu)難以按照理論上的速度進(jìn)行決策。所以需要通過內(nèi)部傳感器測量出小車此時的速度信息，以便于再進(jìn)行一次速度控制決策，提升小車的位姿估計(jì)準(zhǔn)確度。慣性測量儀器內(nèi)部是配備有加速度計(jì)和陀螺儀的。其中加速度是負(fù)責(zé)測量x、y、z三軸上的加速度的，陀螺儀也是測量坐標(biāo)系上三個方向的角速度的ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>白石</Author><Year>2020</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14]</style></DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="90twsesaxdrxd2efvtyx0p5wpatzs0ee5a20"timestamp="1618134981">19</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>白石</author><author>張小俊</author><author>杜珊</author></authors></contributors><auth-address>河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;</auth-address><titles><title>基于慣性測量單元的SLAM改進(jìn)方法%J中國科技論文</title></titles><pages>1313-1320</pages><volume>15</volume><number>11</number><keywords><keyword>同時定位與地圖構(gòu)建</keyword><keyword>慣性測量單元</keyword><keyword>傳感器融合</keyword><keyword>魯棒性</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><isbn>2095-2783</isbn><call-num>10-1033/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[14]。根據(jù)物理關(guān)系，通過對測量的加速度進(jìn)行一次積分便可以獲得速度大小，對速度積分便可以獲得位移大小。陀螺儀測量的是實(shí)時的角速度，通過對角速度積分可以獲得當(dāng)前小車的三個方向的旋轉(zhuǎn)角度。然而基于慣性測量儀器的原理，其測量的速度以及位移會隨著時間的推移，誤差越來越明顯，累計(jì)誤差不斷增大。慣性測量儀器具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛以應(yīng)用于飛機(jī)、無人小車等領(lǐng)域中，本文選用慣性測量儀器作為內(nèi)部傳感器，用來測量速度信息，便于準(zhǔn)確的位姿估計(jì)。圖2.3小車上的慣性測量儀器1.3.2外部傳感器激光雷達(dá)具有測距和定位的作用。相比普通雷達(dá)，激光雷達(dá)具有分辨率高，隱蔽性好、抗干擾能力更強(qiáng)等優(yōu)勢。其測距方法有TOF測距方法和三角測距法ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>金文燕</Author><Year>2006</Year><RecNum>20</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[15]</style></DisplayText><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="90twsesaxdrxd2efvtyx0p5wpatzs0ee5a20"timestamp="1618136981">20</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>金文燕</author><author>趙輝</author><author>陶衛(wèi)</author></authors></contributors><auth-address>上海交通大學(xué)信息檢測技術(shù)及儀器系,上海交通大學(xué)信息檢測技術(shù)及儀器系,上海交通大學(xué)信息檢測技術(shù)及儀器系上海200030,上海200030,上海200030</auth-address><titles><title>激光三角測距傳感器建模及參數(shù)優(yōu)化研究%J傳感技術(shù)學(xué)報</title></titles><pages>1090-1093</pages><number>04</number><keywords><keyword>激光三角測距</keyword><keyword>計(jì)算機(jī)輔助分析</keyword><keyword>建模</keyword><keyword>優(yōu)化</keyword></keywords><dates><year>2006</year></dates><isbn>1004-1699</isbn><call-num>32-1322/TN</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[15]。三角測距法的原理如下圖所示，激光雷達(dá)發(fā)射激光，當(dāng)激光照射到障礙物時，反射光會被線性CCD所接收。CCD是ChargeCoupledDevice(電荷耦合器件)的縮寫,它是一種半導(dǎo)體成像器件。由于激光發(fā)射器和接收器間隔了一段距離，所以按照光路徑，不同距離的物體會在CCD上的成像具有不同的位置。按照三角公式，就可以得到被測物體的距離。關(guān)于TOF測距原理，激光雷達(dá)在發(fā)射激光時會記錄下此時發(fā)射激光的時間，并且在這道激光返回時也記錄下這段回返時間，通過兩個時間差，可以得到光的傳播時間，而光速是確定的，所以可以在已知速度和時間下計(jì)算出距離?？紤]到傳感器精確度、穩(wěn)定性、成本等，本次小車采用激光雷達(dá)用來測距與定位。圖2.4激光雷達(dá)三角測距原理圖2.5激光雷達(dá)TOF測距原理1.4工控機(jī)小車需要遠(yuǎn)程操作，小車上需要配備工控機(jī)。工控機(jī)是專門為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，用于對生產(chǎn)過程中使用的機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)流程、數(shù)據(jù)參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測與控制。在本次小車工控機(jī)上安裝了Ubuntu16.04系統(tǒng)，開發(fā)人員可以通過Linux的遠(yuǎn)程連接ssh連接命令來遠(yuǎn)程操作小車。圖2.6遠(yuǎn)程SSH命令連接小車上位機(jī)2.5單片機(jī)驅(qū)動模塊在小車的上位機(jī)上確定了目標(biāo)點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)傳入控制函數(shù)中，根據(jù)速度控制算法可以算出當(dāng)前小車需要達(dá)到的速度，此時上位機(jī)已經(jīng)確定了速度信息，需要通過串口電路傳遞速度信息。單片機(jī)和PC主機(jī)之間使用UART串口通信，PC主機(jī)通過相關(guān)配置之后就可以通過USB端口將串口數(shù)據(jù)通過USB線傳到下位機(jī)，下位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口芯片可以將USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串口數(shù)據(jù)，并且傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的TXD、RXD口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC主機(jī)之間的通信。若要實(shí)現(xiàn)USB與串口之間的轉(zhuǎn)換需要通過轉(zhuǎn)串口芯片。轉(zhuǎn)串口芯片CH340具有抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速度快等特點(diǎn)，所以此次小車所采用的是CH340芯片。圖2.7芯片CH340外圍電路1.6本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了小車的整體框架，主要完成了小車的內(nèi)部傳感器與外部傳感器的設(shè)計(jì)。基于慣性測量儀器的原理對此傳感器進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析?；诩す饫走_(dá)的兩種掃描原理分析了激光雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)。隨后介紹工控機(jī)以用來遠(yuǎn)程控制小車上位機(jī)。介紹了串口通信電路以及整體硬件框架以完成小車硬件部分的搭建。

2.軟件平臺——ROSROS是一個適用于機(jī)器人編程的一個框架，在ROS中有許多機(jī)器人感知、決策和控制算法，許多代碼方便復(fù)用以及重塑，簡化了機(jī)器人研發(fā)的一個過程。在ROS框架下，程序開發(fā)周期短，可移植性高，故此次采用ROS作為小車的底層系統(tǒng)框架。本章對ROS工作空間配置、通信機(jī)制以及所用功能包進(jìn)行介紹。2.1ROS特點(diǎn)本次小車所基于的是ROS系統(tǒng)框架。ROS是一種分布式框架，ROS的每個功能塊都能夠按各自模塊來編寫和運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行時采用松耦合的形式相互交互ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>管晨曦</Author><Year>2020</Year><RecNum>21</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[16]</style></DisplayText><record><rec-number>21</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="90twsesaxdrxd2efvtyx0p5wpatzs0ee5a20"timestamp="1618209230">21</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>管晨曦</author></authors></contributors><auth-address>西南交通大學(xué)唐山研究生院;</auth-address><titles><title>基于ROS的室內(nèi)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究%J機(jī)電信息</title></titles><pages>128-129</pages><number>30</number><keywords><keyword>機(jī)器人操作系統(tǒng)</keyword><keyword>建圖算法</keyword><keyword>全向移動</keyword><keyword>巡檢</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><isbn>1671-0797</isbn><call-num>32-1628/TM</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[16]。ROS是運(yùn)行在Linux上的一個二級系統(tǒng)，可以連接著ROS上的應(yīng)用程序和Linux系統(tǒng)。ROS給無人車提供了一個運(yùn)行平臺，在平臺里將各個模塊相結(jié)合。一個ROS的不同組件被按要求放在各自的文件夾中。ROS的架構(gòu)是一種基于ROS通信模塊之間實(shí)現(xiàn)雙方P2P交流的一種松耦合處理形式。2.2ROS的具體結(jié)構(gòu)一個初始化ROS的工作區(qū)中，首先是有一個工作空間，可以命名為catkin_ws，在該工作空間中包含了功能包devel、可編譯源文件src和編譯包build的文件夾，可以同時編譯不同的功能包，也可以保存本地開發(fā)包。用戶還可以根據(jù)自身需要創(chuàng)建多個工作空間，每個工作空間中開發(fā)不同作用的功能包。src源文件空間:這個文件夾放置了各個功能包和配置文件CMakeLists.txt，CMakeLists.txt是起編譯配置的作用。build編譯空間：在build文件夾中放置Cmake和catkin編譯功能包時產(chǎn)生的配置文件、緩存和中間文件等。devel開發(fā)空間：在devel文件夾中放置編譯后的可執(zhí)行文件，這些可執(zhí)行文件無需安裝特點(diǎn)軟件就能直接運(yùn)行。并且如果功能包源碼編譯和測試成功后，就能將這些能實(shí)現(xiàn)特定功能的可執(zhí)行文件導(dǎo)出給其他開發(fā)人員使用。在src下的目錄下。功能包是ROS中軟件組織的基本形式，功能包是創(chuàng)建ROS的最小結(jié)構(gòu)單位，它可以運(yùn)行ROS中的節(jié)點(diǎn)。CMakeLists.txt功能包配置文件：用于這個功能包c(diǎn)make編譯時的配置文件。package.xml功能包清單文件：用xml的標(biāo)簽格式標(biāo)記這個功能包的各類相關(guān)信息，比如說包的名字、依賴關(guān)系等。其主要目的是更加容易的安裝和分發(fā)功能包。launch文件夾：用于存放*.launch文件，*.launch文件用于啟動ROS功能包中的一個或者多個節(jié)點(diǎn)，在此次小車中就需要啟動大量的節(jié)點(diǎn)，所以可以直接利用launch文件夾下的程序一鍵打開所有需要的節(jié)點(diǎn)。src文件夾：這個文件夾中存放著源文件，一個功能包中可以有多個節(jié)點(diǎn)來完成相應(yīng)的功能，每個節(jié)點(diǎn)之間都是相互獨(dú)立的，各自占用資源，源文件可以利用C++或者python去編寫。圖2.1ROS一個工作空間的具體結(jié)構(gòu)2.3ROS最小運(yùn)行單元——節(jié)點(diǎn)在ROS的軟件包中有多個可執(zhí)行文件，這些可執(zhí)行文件在ROS中就被作為節(jié)點(diǎn)來看待，節(jié)點(diǎn)是ROS中最小的運(yùn)行單元。相當(dāng)于電腦中的進(jìn)程的概念。每個節(jié)點(diǎn)具有指定的功能，各個節(jié)點(diǎn)可以通過ROS的兩種通信機(jī)制來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ROS的兩種通信機(jī)制為話題（Topic）和服務(wù)（service）。它們兩種有著不同的應(yīng)用場合。話題是ROS的一種通信形式，發(fā)布節(jié)點(diǎn)會發(fā)布（Publish）話題，接收節(jié)點(diǎn)會訂閱（Subscribe）話題。一個節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布一個或者多個話題，同時一個節(jié)點(diǎn)也可以訂閱一個或者多個話題ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>常燈祥</Author><Year>2019</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="90twsesaxdrxd2efvtyx0p5wpatzs0ee5a20"timestamp="1618043943">5</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>常燈祥</author></authors><tertiary-authors><author>曹立波,</author><author>高暉,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于ROS的無人駕駛汽車自主導(dǎo)航研究</title></titles><keywords><keyword>無人駕駛汽車</keyword><keyword>自主導(dǎo)航</keyword><keyword>SLAM</keyword><keyword>路徑規(guī)劃</keyword></keywords><dates><year>2019</year></dates><publisher>湖南大學(xué)</publisher><work-type>碩士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[1]。在小車實(shí)際運(yùn)行時，會同時運(yùn)行很多節(jié)點(diǎn)，其功能有定位、建圖、控制等。此時ROS會創(chuàng)建一個節(jié)點(diǎn)管理器（Master）,用于節(jié)點(diǎn)的名稱注冊和查找等，也負(fù)責(zé)設(shè)置節(jié)點(diǎn)間的通信。如果整個程序中沒有節(jié)點(diǎn)管理器，那么節(jié)點(diǎn)之間就不存在數(shù)據(jù)之間的傳輸。圖2.2節(jié)點(diǎn)管理器管理的節(jié)點(diǎn)關(guān)系話題的適用場景為數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)適用的場景為邏輯處理。服務(wù)只能是一對一進(jìn)行的，而話題可以多對多。圖2.3話題與服務(wù)之間的區(qū)別在ROS中有命令行rqt_graph，此命令可以查看當(dāng)前小車節(jié)點(diǎn)話題的關(guān)系圖。并且也可以自行設(shè)計(jì)小車節(jié)點(diǎn)用來接收一些想要的數(shù)據(jù)。此次基于第二章提出的慣性測量儀器原理，在上位機(jī)上創(chuàng)建了兩個話題，分別是接收實(shí)時速度和接收實(shí)時的速度積分，用于判斷當(dāng)前誤差是否過大。2.4ROS的功能包在此次小車運(yùn)行時，主要使用了ROS的三大功能包。使用了Gmapping功能包、Amcl功能包以及Move_base功能包。其中Gmapping功能包是用來建圖的，利用Gmapping算法，在獲取到里程計(jì)信息后，配合激光雷達(dá)可構(gòu)建一個二維柵格地圖，且可以在Ubuntu下的rviz中進(jìn)行可視化。Amcl功能包是利用蒙特卡洛概率算法進(jìn)行定位，基于二維柵格地圖，利用濾波粒子器估計(jì)小車的姿態(tài)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>張偉民</Author><Year>2020</Year><RecNum>22</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[17]</style></DisplayText><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="90twsesaxdrxd2efvtyx0p5wpatzs0ee5a20"timestamp="1618296656">22</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>張偉民</author><author>戶肖劍</author><author>賈群喜</author></authors></contributors><auth-address>洛陽理工學(xué)院;</auth-address><titles><title>基于ROS無人駕駛車算法優(yōu)化的研究%J現(xiàn)代信息科技</title></titles><pages>80-82+86</pages><volume>4</volume><number>23</number><keywords><keyword>Gmapping算法</keyword><keyword>AMCL算法</keyword><keyword>Move＿base功能包</keyword><keyword>自主導(dǎo)航</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><isbn>2096-4706</isbn><call-num>44-1736/TN</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[17]。Move_base功能包是規(guī)劃出全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。在Move_base功能包中，運(yùn)用傳感器與里程計(jì)數(shù)據(jù)以及二維柵格地圖所反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航控制。利用全局規(guī)劃器尋找最短路徑，利用局部規(guī)劃器進(jìn)行及時避障，最終到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)點(diǎn)，完成自動導(dǎo)航ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>張軍</Author><Year>2020</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="90twsesaxdrxd2efvtyx0p5wpatzs0ee5a20"timestamp="1618301001">23</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>張軍</author><author>張宇山</author><author>王古超</author></authors></contributors><auth-address>安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院;</auth-address><titles><title>基于ROS的移動平臺自主導(dǎo)航研究%J安徽理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)</title></titles><pages>20-26</pages><volume>40</volume><number>06</number><keywords><keyword>ROS</keyword><keyword>STM32</keyword><keyword>自主導(dǎo)航</keyword><keyword>移動平臺</keyword><keyword>同步</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><isbn>1672-1098</isbn><call-num>34-1220/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[18]。全局規(guī)劃器主要是在global_costmap上執(zhí)行，由靜態(tài)地圖初始化生成全局路徑規(guī)劃器，基于update_f請求數(shù)據(jù)更新。它與成本地圖、起點(diǎn)與終點(diǎn)一起數(shù)據(jù)交互，利用Dijkstra算法或者A*算法來規(guī)劃最短無碰撞路徑。但是全局路徑規(guī)劃器只是一種靜態(tài)的，忽略了物體的運(yùn)動學(xué)與一些現(xiàn)實(shí)約束ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>賈尚斌</Author><Year>