ROS的自主移动服务机器人系统设计

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1自主移动服务机器人

1.1背景及意义

伴随着人工智能技术的不断发展，智能终端、大数据、云计算和机器人等各项技术得到突破性进展。如今，越来越多的自主移动服务机器人具备视觉跟随、自主巡航和语音交互等新型控制方式，人机交互方式愈来愈人性化，已经被广泛地应用到生产或生活的各领域，给社会带来了极大的经济效益和社会效益，受到人们的广泛关注。随着娱乐机器人、陪伴机器人和运货机器人等各类服务机器人不断出现，不同类型的机器人编写控制程序这一工作变得越来越繁重。主要是由于不同类型的机器人设计方案不同,底层各种接口也大不尽相同，但是不管何种类型的机器人其基本算法和控制机制是一致的，因此设计一种易于扩展的自主移动服务机器人系统框架，具有极为重要的现实意义。

1.2相关技术及介绍

ros机器人软件平台。ROS(RobotOperatingSystem）是一个机器人软件平台，其前身是斯坦福人工智能实验室为了支持斯坦福智能机器人STAIR而建立的交换庭(switchyard）项目，它是一种分布式模块化的开源软件框架,提供一些标准操作系统服务。其目的在于提高软件代码的复用率,基本服务包括硬件抽象，底层设备控制，进程间消息以及数据包管理等常用功能，很好的解决了机器人控制程序开发过程中代码冗余、移植性差等问题。目前ROS主要支持Ubuntu。ROS可以分成两层，底层是操作系统层，实现上面所述基本服务功能。高层则是应用层，为广大用户群贡献的实现不同功能的各种软件包，例如定位绘图，行动规划，感知和模拟功能包等等。

2三层体系架构

2.1总体结构

本系统结构为满足自主移动服务机器人人机交互、数据处理和移动避障等等各种通用功能，基于处理器的不同运算能力，设计了一种易于扩展的三层结构的机器人系统框架。人机交互前端层采用具备简单运算能力的普通平板电脑，负责人机交互，包括语音、视频、图片和文字信息交互，接受和反馈系统信息；核心中间层采用具备较强运算能力的小型电脑，安装Ubuntu系统并搭建ROS机器人软件平台,负责机器人算法计算；硬件驱动底层采用较低运算能力的STM32控制器,通过程序设计，主要负责传感器数据采集、硬件驱动和机器人开关机等任务。基于以上系统结构，在实际设计时，可以根据自主移动服务机器人的应用场景进行扩充。比如通过添加摄像头得到周围的图像数据，传输到核心中间层采用较高运算能力的小型电脑进行分析，并可以完成地图构建、寻迹和避障等复杂计算功能。同时还可在根据用户需求,由简单运算能力的普通平板电脑完成视频监控、传感器数据监控、人脸识别、机器人控制等前端功能,实现易于扩展的自主移动服务机器人的平台。

2.2人机交互前端层

该系统结构的最前端是人机交互平台，由普通平板电脑、高清摄像头、触摸传感器、声音收集和播放等设备构成；普通平板电脑主要负责人机交互，包括人脸识别、语音交流以及触摸界面文字图片等功能实现数据收集和呈现，并通过Wi-Fi与云端服务器、核心中间层进行数据交换。

2.3核心中间层

核心中间层主要是由一台较强运算能力的小型电脑（迷你PC）组成，是自主移动机器人的策略中心，数据处理和算法核心都在该PC上实现。通过基于ROS的程序设计,完成传感器数据预处理与信息融合、地图构建、自主移动机器人的运动控制和避障算法、各类串口数据接收与解析、数据打包与串口发送等功能。该PC上安装Ubuntu系统并搭建ROS机器人软件平台，并通过Wi-Fi与云服务器、人机交互前端层的普通平板电脑进行数据交换。

2.4硬件驱动底层

硬件驱动底层为自主移动机器人的执行单元，包含了底层STM32控制器、电机及其驱动控制器和传感器等其他硬件驱动。控制器STM32通过程序设计，主要实现机器人开关机、电机控制驱动、利用机器人中各中传感器驱动程序完成数据收集等功能。

3结束语

人工智能是引领未来的战略性技术，目前我国正在加紧出台规划和政策，围绕核心技术、顶尖人才、标准规范等强化部署，力图在新一轮国际科技竞争中掌握主导权。继2017年7月国务院《新一代人工智能发展规划的通知》后，2018年4月教育部《高等学校人工智能创新行动计划》，也就是说在未来十年内，“信息技术”必然被“人工智能技术”所取代。目前，具备视觉跟随、自主巡航和语音交互等新型控制方式的自主移动服务机器人应用越来越广泛，本文设计的易于扩展的三层自主移动服务机器人系统框架，为自主移动服务机器人的应用发展，具有极为重要的现实意义。

参考文献：

[1]王兴伟.基于ROS的临场移动机器人控制系统设计与研宄[D].合肥:合肥工业大学,2017.

[2]陈贤,武延军.基于ROS的云机器人服务框架.计算机系统应用,2016,25(10).

[3]郭欣桐,战艺.基于ROS的服务型机器人新型控制方式.电子世界,2016,(11).

作者:孟清 斯琴高娃 单位:海南职业技术学院工业与信息学院