基于ROS的开源移动机器人系统设计--《机电工程》2017年02期
基于ROS的开源移动机器人系统设计
【摘要】：针对当前研究室内环境同时定位与地图构建(SLAM)中所用机器人成本高等问题,对机器人操作系统(ROS)进行了研究,以开源卡片式电脑树莓派2B为核心搭建了开源移动机器人硬件平台,利用ROS的分布式处理框架进行了系统软件的开发,设计了一种低成本、高性能的开源移动机器人系统以开展SLAM等方面的研究,并开展了详细的性能测试。实验结果表明,该移动机器人系统不仅设计方案可行,实现了把机器人平台节点信息无线传输到服务器节点并能远程控制机器人进行精确移动,还具有成本低、性能高和易扩展等特点。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TP242【正文快照】：
0引言随着科技的发展,移动机器人越来越多在工业、农业、军事和医学等领域得到广泛的应用[1],然而要使移动机器人实现自主化首先面临的问题就是如何实现机器人创建所处环境的地图并同时利用该地图进行定位(即同时定位与地图创建[2-3]),现已成为国内外许多研究机构和学者研究的
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　　你知道市面上的机器人都采用了哪些操作系统吗？
　　估计大多数人给出的答案就是Android了。从市面上的产品来看，基于Android系统开发的机器人确实是主流，但是还有一种操作系统却鲜为人知，它叫ROS（机器人操作系统，Robot Operating System），是专门为机器人设计的一套开源操作系统，时至今日已经诞生八年时间了。
　　ROS究竟为何物？
　　ROS的前身是斯坦福人工智能实验室为了支持STAIR（斯坦福大学人工智能机器人项目）而建立的交换庭(Switchyard)项目。要了解ROS的发展历程，则要从2007年开始谈起。
　　当时，Morgan Quigley，Eric Berger和Andrew Ng发布了一纸有关STAIR的论文，该文件讲述的就是用Switchyard可以在各软件程序之间传递信息，进而帮助机器人有效的完成一些复杂的任务。起初，这个项目是斯坦福大学和机器人技术公司Willow Garage的个人机器人项目(Personal Robots Program)合作进行的，2008年后完全由这家公司推广。到2009年，相关文件提到Switchyard可以让机器人编译模块化，而且不需要重新设计框架，ROS操作系统也就随之问世了。
　　2012年，ROS团队从Willow Garage独立出来，并且成立了一个非盈利组织（OSRF）。经过这几年的发展，ROS从最初的无人问津的小众操作系统，到现在已是主流的机器人操作系统之一。
　　根据市场调查，目前已经有很多机器人公司采用了ROS系统来开发一些应用于全新市场的产品，如ClearPath，Rethink，Unbounded，Neurala，Blue River，最典型的就是Willow Garage的PR2机器人。还有数据显示，仅2015年，相关风险投资机构就在基于ROS操作系统的机器人公司投资了超过1.5亿美元。
　　除此之外，还有不少大型公司开始注意到了这个操作系统，例如，Nvidia、博世、高通、英特尔、宝马以及大疆等。
　　当然，ROS要普及离不开开发者的支持。据不完全统计，今年5月全球共有70000多个独立IP下载了900万次ROS程序包。另外，在ROS开发者社区里面的1840位成员一共写出了1000万行代码。
　　ROS有何特点？
　　事实上，ROS和Android一样是开源的，功能上也是相差无几，它可以提供硬件抽象，底层设备控制，常用功能实现，进程间消息以及数据包管理。其独特之处在于，能够支持多种语言，如C++、Python、Octave和LISP，甚至支持多种语言混合使用，这可以简化开发者的工作。因为它是基于Linux的系统，其可靠性也会更高，体积可以做到更小，适合嵌入式设备。
　　另外，ROS是一种分布式处理框架，开发者可以单独设计可执行文件。不同节点的进程能接收、发布各种信息(例如传感，控制，状态，规划等等)。
　　但是就目前来看，在业界公认的机器人三大操作系统――Ubuntu，Android和ROS中 ，就目前来看，使用Android操作系统的企业居多。
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基于ROS的空间机器人人机交互系统设计
传统的空间机器人人机交互通常采用摇杆或按键等操作方式和视频监控的反馈方式,具有操作繁琐、系统延时大、现场感不强等缺点。针对这种情况,提出一种基于机器人操作系统的空间机器人人机交互系统。以开源机器人操作系统ROS为基础,通过操作者的人体姿态和语音对远程机械臂进行控制,通过传感器反馈远程机械臂的状态及其周边的虚拟现实环境,供操作者观看。实验结果表明,该人机交互系统可以实时高效地操作机器人来完成指定的控制作业,具有操作简单、低延时、现场感强等优点,解决了传统空间机器人操控中的不足,提供了高效的空间机器人操控方案。
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【知识】如何设计一款基于ROS的移动机器人？
最近几年各种移动机器人开始涌现出来，不论是轮式的还是履带式的，如何让移动机器人移动都是最核心的工作。要让机器人实现环境感知、机械臂控制、导航规划等一系列功能，就需要操作系统的支持，而ROS就是最重要的软件平台之一，它在科研领域已经有广泛的应用。
　　OFweek网讯：最近几年各种移动开始涌现出来，不论是轮式的还是履带式的，如何让移动机器人移动都是最核心的工作。要让机器人实现环境感知、机械臂控制、导航规划等一系列功能，就需要操作系统的支持，而ROS就是最重要的软件平台之一，它在科研领域已经有广泛的应用。　　不过有关ROS的书籍并不多，国内可供的学习社区就更少了。本期硬创公开课就带大家了解一下如何利用ROS来设计移动机器人。　　分享嘉宾李金榜：EAI科技创始人兼CEO，毕业于北京理工大学，硕士学位。曾在网易、雪球、腾讯技术部有多年linux底层技术研发经验。2015年联合创立EAI科技，负责SLAM算法研发及相关定位导航软件产品开发。EAI科技，专注机器人移动，提供消费级高性能激光雷达、slam算法和机器人移动平台。　　移动机器人的三个部分　　所谓的智能移动，是指机器人能根据周围的环境变化，自主地规划路线、避障，到达目标地。　　机器人是模拟人的各种行为，想象一下，人走动需要哪些器官的配合？首先用眼睛观察周围环境，然后用脑去分析如何走才能到达目标地，接着用腿走过去，周而复始，直到到达目标地址为至。机器人如果要实现智能移动，也需要眼、脑和腿这三部分的紧密配合。　　腿　　&腿&是机器人移动的基础。机器人的&腿&不局限于类人或类动物的腿，也可以是轮子、履带等，能让机器人移动起来的部件，都可以笼统地称为&腿&。　　类人的腿式优点是：既可以在复杂路况（比如爬楼梯）下移动、也可以更形象地模仿人的动作（比如跳舞），缺点是：结构和控制单元比较复杂、造价高、移动慢等。　　所以大部分移动的机器人都是轮式机器人，其优势在于轮子设计简单、成本低、移动快。而轮式的也分为多种：两轮平衡车、三轮、四轮和多轮等等。目前最经济实用的是两个主动轮+一个万向轮。　　眼睛　　机器人的眼睛其实就是一个传感器。它的作用是观察周围的环境，适合做机器人眼睛的有激光雷达、视觉（深度相机、单双相机）、辅助（超声波测距、红外测距)等。
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