[发明专利]一种基于ROS的移动机器人室内环境探索系统与控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种有关移动机器人的控制方法，具体基于ROS（机器人操作系统，RobotOperatingSystem），探索室内环境的控制方法。

背景技术

近年来，机器人领域发展迅速，例如灾难探测机器人、家用服务机器人、陪护机器人、军用机器人等均得到广泛的应用。移动机器人作为一种高度自主的智能体，具有灵活的运动能力和强大的观察设备，利用机器人的建图功能代替人员深入危险的未知环境进行探索，已经成为救援工作的有效手段。尽管目前的各种救援机器人可以完成各种各样的任务，但是救援机器人大部分依靠遥控操作，无法脱离人为控制在未知的复杂空间中移动。而在灾难环境中，坍塌、烟尘充斥的环境空间是不可预知的，同时操作人员通过摄像机对灾难现场的探索识别能力并不强，而且很大程度上受操作人员经验的影响。亟需一种可以对灾难环境进行自主探索的智能移动机器人。

同时，机器人也朝着复杂化、通用化以及工作环境不确定化发展，对代码的复用性、模块化提出了较高的要求。现有的Player、MOOS、CARMEN、YARP、Orocos、微软RoboticsStudio等操作系统无法满足实际应用的需求。ROS（RobotOperatingSystem）是一种开源机器人操作系统，能够提供类似于操作系统的功能，为机器人应用系统提供硬件抽象、底层驱动、消息传递和包管理，以及一些辅助开发工具，例如建立、编写和运行多机通信系统整合的程序。ROS操作系统的设计目标就是为了提高代码的复用性，所以采用一种分布式的进程架构，使得程序具有高度的独立性和低耦合性。

考虑上述因素，本发明引入ROS机器人操作系统设计和构建了一种移动机器人平台，硬件采用了iRobot差分驱动底盘以及信息采集单元、数据处理单元、运动控制单元和远程监控单元4个模块。利用ROS分布式的进程框架优势，控制机器人更加方便快速地探索室内环境，得到室内环境信息的二维地图，达到更加有效地进行机器人灾难救援。

发明内容

本发明设计了基于ROS的移动机器人室内环境探索系统与控制方法。

本发明采用的技术方案为：第一阶段，机器人的改装与基于ROS的程序配置；第二阶段，激光雷达的环境信息获取与地图拼接匹配；第三阶段，构建机器人与上位机间的无线通信；第四阶段，通过设置路径规划算法，使机器人自主行驶，并探索室内未知环境。

所述的一种基于ROS的移动机器人室内环境探索系统与控制方法，通过以下步骤实现。

步骤一：以美国iRobot公司生产的iRobotCreate为移动机器人平台，进行改装与拓展。

步骤二：采用ROS的导航栈（Navigation）来实现导航系统的具体框架，通过设置TF坐标变换系统、Costmap占有栅格地图来完成导航栈的基本配置。

步骤三：通过激光雷达获取地图信息，将激光雷达数据离散化。

步骤四：将获取的激光雷达信息进行扫描匹配。

步骤五：利用Zigbee协议构建机器人与上位机间的无线通讯，实现上位机对机器人状态获取与对激光雷达获取的二维图进行实时监控。

步骤六：对机器人进行同步定位与建图。

步骤七：设置机器人的路径规划算法。

步骤八：机器人进行自主行驶，同时探索室内未知环境。

下面对各步骤进行具体说明。

所述步骤一的iRobotCreate移动机器人平台，保留了运动控制器和电源管理系统，去掉了吸尘功能，并扩展了传感器。所构建的移动机器人系统由四个部分组成，包括信息采集单元、数据处理单元、运动控制单元和远程监控单元。其系统组成框图如图1所示。其中，控制核心为基于ATOM凌动N270中央处理器的工控机。

所述步骤二的ROS的导航栈的基本思想为：得到里程计和激光雷达数据，同时输出速度命令给机器人底盘，导航栈配置如图2所示。TF坐标变换系统如图3所示，TF系统定义两个坐标系：一个坐标系的原点位于机器人的底盘中心，另一个坐标系位于激光雷达的中心。将位于底盘的坐标系定义为base_link，因为导航栈需要把该TF坐标系放置为移动机器人的旋转中心。将位于激光雷达的坐标系定义为base_laser。Costmap占有栅格地图通过完成激光雷达数据离散化处理获得。