基于ROS的SLAM智能車(chē)

◆文/江蘇 房守江 張睿

本文主要研究設(shè)計(jì)了一款基于樹(shù)莓派ROS平臺(tái)的SLAM智能車(chē)。該智能車(chē)?yán)眉す饫走_(dá)以獲取周?chē)h(huán)境的深度信息，采用ROS環(huán)境下具備SLAM算法的gmapping功能包，并通過(guò)STM32對(duì)智能車(chē)的底層驅(qū)動(dòng)控制可實(shí)現(xiàn)即時(shí)定位、地圖構(gòu)建、自主導(dǎo)航和避障功能。

一、前言

室外定位與導(dǎo)航可以使用GPS，但在室內(nèi)進(jìn)行定位與導(dǎo)航會(huì)比較復(fù)雜。SLAM為即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，很好地解決了室內(nèi)智能車(chē)的地圖構(gòu)建和即時(shí)定位問(wèn)題，具備重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。而對(duì)于智能移動(dòng)這個(gè)問(wèn)題，除了要有SLAM技術(shù)之外，還需要加入路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。

二、設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)中，SLAM智能小車(chē)由小車(chē)底盤(pán)、傳感器系統(tǒng)和樹(shù)莓派計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，其中，底盤(pán)是智能小車(chē)的運(yùn)動(dòng)載體，用來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，傳感器系統(tǒng)由光電編碼器、激光雷達(dá)和IMU組成，用來(lái)采集實(shí)現(xiàn)可靠SLAM所需的各種傳感器信息，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括下位機(jī)和便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用來(lái)運(yùn)行ROS操作系統(tǒng)和SLAM程序，本系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 智能車(chē)設(shè)計(jì)方案

1.相關(guān)傳感器

(1)激光雷達(dá)

要完成智能車(chē)的SLAM和自主導(dǎo)航，首先要有感知周?chē)h(huán)境的能力，尤其要有感知周?chē)h(huán)境深度信息的能力，這是探測(cè)障礙物的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)可以提供智能車(chē)本體與環(huán)境障礙物之間的距離信息，其優(yōu)點(diǎn)是精度高，響應(yīng)快，數(shù)據(jù)量小，可以完成實(shí)時(shí)SLAM任務(wù)。本設(shè)計(jì)中采用SLAMTEC公司低成本激光雷達(dá)RPlidar-A1，可實(shí)現(xiàn)12米測(cè)距，一秒8 000次測(cè)量頻率，掃描頻率5Hz。

針對(duì)RPlidar-A1激光雷達(dá)，通過(guò)安裝完成ROS相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)功能包，在sensor_msgs包中定義了專(zhuān)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——LaserScan，用于存儲(chǔ)激光雷達(dá)獲取的深度信息。

(2)里程計(jì)與IMU

里程計(jì)采用底盤(pán)電機(jī)光電編碼器方案，由STM32下位機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算獲得線(xiàn)速度后發(fā)送給ROS進(jìn)行里程的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲得小車(chē)在地圖上的坐標(biāo)。IMU提供的姿態(tài)數(shù)據(jù)融合到角速度上，小車(chē)原地旋轉(zhuǎn)是否準(zhǔn)確需要靠準(zhǔn)確的IMU和里程計(jì)。IMU數(shù)據(jù)的讀取和線(xiàn)速度的計(jì)算均由STM32下位機(jī)主控負(fù)責(zé)，并通過(guò)USB傳輸給上位機(jī)。

2.運(yùn)動(dòng)控制板(下位機(jī))

運(yùn)動(dòng)控制板采用STM32F103RC作為主控，主要負(fù)責(zé)小車(chē)運(yùn)動(dòng)模型解算、IMU數(shù)據(jù)讀取、線(xiàn)速度的計(jì)算、遙控部分控制，最終通過(guò)USB傳輸給上位機(jī)。其中，IMU數(shù)據(jù)由MPU6050模塊進(jìn)行讀取，接口電路如圖2。線(xiàn)速度計(jì)算由光電編碼器完成，光電編碼器接口電路如圖3。主控板可裝載峰值6A的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，引出四路編碼電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口，其中一路電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路如圖4所示。

圖2 MPU6050接口電路

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口電路

圖4 光電編碼器接口電路

3.ROS主控制器

ROS主控系統(tǒng)控制器采用Raspberrypi 4B，Linux版本安裝了 Ubuntu 18系統(tǒng)。同時(shí)裝有ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，ROS版本為Melodic，作為機(jī)器人ROS主控制節(jié)點(diǎn)。

(1)ROS系統(tǒng)

機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)是一個(gè)開(kāi)放源代碼的機(jī)器人中間件套件，安裝到Linux系統(tǒng)上。ROS系統(tǒng)由許多獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用發(fā)布/訂閱消息傳遞模型與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。小車(chē)節(jié)點(diǎn)我們稱(chēng)為主節(jié)點(diǎn)(ROS Master)，因本地運(yùn)行數(shù)據(jù)收發(fā)延遲最低，本設(shè)計(jì)中雷達(dá)、建圖、導(dǎo)航、操作和監(jiān)控都在本地節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，采用USB供電、HDMI接口的7英寸液晶作為ROS主控顯示器。

(2)gmapping功能包

gmapping功能包為開(kāi)源的功能包，集成了粒子波算法，開(kāi)發(fā)者無(wú)需掌握內(nèi)部復(fù)雜的算法，利用其對(duì)用戶(hù)開(kāi)放的接口即可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，如圖5所示。

圖5 gmapping功能包總體框架

gmapping功能包需要獲取環(huán)境深度信息、IMU信息和里程計(jì)信息，通過(guò)相關(guān)參數(shù)配置及算法實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)行定位與地圖構(gòu)建，gmapping功能包向用戶(hù)開(kāi)放的關(guān)鍵接口如表1所示。

表1 gmapping功能包向用戶(hù)開(kāi)放的關(guān)鍵接口

使用gmapping建圖的一般步驟是:①在主控節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)雷達(dá)與Gmapping節(jié)點(diǎn)，同時(shí)程序會(huì)將IMU姿態(tài)與位置融合發(fā)布o(jì)dom位置信息；②啟動(dòng)本地雷達(dá)與Gmapping節(jié)點(diǎn)；③啟動(dòng)rviz在窗口內(nèi)即可看到機(jī)器人tf位姿數(shù)據(jù)、激光節(jié)點(diǎn)、地圖數(shù)據(jù)；④保存地圖，如圖6所示，保存后地圖文件為map.pgm和map.yaml。

圖6 利用gmapping建圖

(3)自主導(dǎo)航

導(dǎo)航是在給定環(huán)境中將機(jī)器人從一個(gè)位置移動(dòng)到指定目的地，導(dǎo)航需要使用保存好的地圖，通過(guò)amcl尋找位置，move_base路徑規(guī)劃從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航。本設(shè)計(jì)采用navigation導(dǎo)航包實(shí)現(xiàn)智能車(chē)的自主導(dǎo)航：①啟動(dòng)底盤(pán)通訊與雷達(dá)節(jié)點(diǎn)；②本地啟動(dòng)nav導(dǎo)航包，導(dǎo)入地圖文件；③啟動(dòng)本地可視化rviz，設(shè)置初始姿勢(shì)位置；④確定目標(biāo)位置，開(kāi)始導(dǎo)航，如圖7所示。

圖7 自主導(dǎo)航

三、總結(jié)

本文研究設(shè)計(jì)的SLAM智能車(chē)，采用樹(shù)莓派便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，配備低成本單線(xiàn)國(guó)產(chǎn)激光雷達(dá)、帶四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的底盤(pán)、STM32控制器等，成本低，功能完善，建圖與自主導(dǎo)航效果好，可很大程度上滿(mǎn)足室內(nèi)建圖和自主導(dǎo)航的功能需求。