【科普】干貨！帶你從0了解移動機器人(三) ——自主導(dǎo)航系統(tǒng)及上位機軟件設(shè)計與實現(xiàn)

隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以在許多簡單重復(fù)，危險的崗位上看到機器人的身影，移動機器人憑借其在復(fù)雜環(huán)境下工作，具有自行感知、自行規(guī)劃、自我決策功能的能力，它可以在不同的環(huán)境中移動并執(zhí)行任務(wù)，在人類社會中發(fā)揮著越來越重要的作用。但移動機器人擁有自主導(dǎo)航能力，才能進(jìn)一步完成上訴所設(shè)定的任務(wù)。可以說自主導(dǎo)航能力是移動機器人最為基礎(chǔ)和核心的技術(shù)，而上位機軟件的實現(xiàn)與設(shè)計，則進(jìn)一步推動機器人的完善發(fā)展。在前兩篇文章中，我們介紹了移動機器人的基本概念和硬件組成，本文繼續(xù)深入探討移動機器人的自主導(dǎo)航系統(tǒng)及上位機軟件設(shè)計與實現(xiàn)。

一、移動機器人的內(nèi)載算法：

為了實現(xiàn)移動機器人在未知環(huán)境的自主導(dǎo)航，就需要解決環(huán)境感知、地圖創(chuàng)建、自主定位、運動規(guī)劃等一系列核心問題，也就是移動機器人車載內(nèi)算法的解決。移動機器人內(nèi)部算法主要包括導(dǎo)航算法及運動控制算法。導(dǎo)航算法是指移動機器人在未知環(huán)境中通過傳感器數(shù)據(jù)獲取環(huán)境信息，規(guī)劃路徑并選擇最優(yōu)路徑到達(dá)目的地的算法。運動控制算法是指移動機器人在到達(dá)目的地后，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)調(diào)整方向和速度的算法。這些算法需要在移動機器人的控制器上實現(xiàn)，并與傳感器、執(zhí)行器等硬件進(jìn)行交互。

在自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，SLAM技術(shù)是通過激光雷達(dá)傳感器，獲取周圍環(huán)境的信息，實現(xiàn)即時定位與地圖構(gòu)建的過程。相比于視覺傳感器，激光雷達(dá)傳感器不受環(huán)境光照的影響，對障礙物識別準(zhǔn)確度與可靠性高。路徑規(guī)劃技術(shù)則是在SLAM建立完整地圖基礎(chǔ)上，按照某種評價指標(biāo)尋找一條從起始點到目標(biāo)點的最優(yōu)無碰撞安全路徑。

SLIM與各領(lǐng)域關(guān)系圖

在運動控制算法方面，主要有閉環(huán)控制和開環(huán)控制兩種方式。閉環(huán)控制是通過傳感器反饋來調(diào)整控制量，保證移動機器人按照規(guī)劃路徑順利地到達(dá)目標(biāo)位置。而開環(huán)控制則是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制量進(jìn)行運動控制，不考慮機器人當(dāng)前狀態(tài)的影響。開環(huán)控制相對簡單，但精度較低，常用于一些簡單的任務(wù)。

然而由于自主導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、建圖與導(dǎo)航等一系列操作較復(fù)雜，且移動機器人地圖、數(shù)據(jù)信息和運行軌跡無法直觀化，為此需要設(shè)計上位機將定位、建圖與導(dǎo)航等功能集成到上位機操作界面，同時實時顯示移動機器人地圖、數(shù)據(jù)和運行軌跡。

二、移動機器人外部調(diào)度軟件和管理平臺：

調(diào)度軟件和管理平臺是指在上位機（服務(wù)器）上實現(xiàn)的軟件，用于對移動機器人進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制。通過調(diào)度軟件，可以實現(xiàn)對移動機器人的任務(wù)指派、路徑規(guī)劃、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。管理平臺則提供了對多臺移動機器人進(jìn)行管理的功能，包括機器人的電量控制、狀態(tài)監(jiān)測、報警處理等。

上位機軟件主要由２個主界面組成：主從機的登錄通信模塊以及移動機器人當(dāng)前話題列表和運動信息顯示界面、可視化界面以及移動機器人啟動設(shè)置和控制模塊顯示界面。上位機利用全局規(guī)劃與局部規(guī)劃算法完成自主導(dǎo)航功能。上位機軟件所實現(xiàn)的

主要功能如下

：１）建立主從機之間的通信：將兩臺電腦連接在相同的局域網(wǎng)下，通過上位機分別獲取主從機的IP地址以及URL地址，再通過SSH協(xié)議讓從機登錄主機并且控制主機，從而完成登錄通信過程。２）獲取移動機器人當(dāng)前話題列表及運動信息３）界面可視化及圖層信息獲取與發(fā)布位置信息４）啟動設(shè)置與實現(xiàn)移動機器人控制

上位機工作流程圖

移動機器人的自主導(dǎo)航系統(tǒng)及上位機軟件設(shè)計與實現(xiàn)是移動機器人技術(shù)的重要組成部分，是實現(xiàn)機器人智能化的關(guān)鍵。在現(xiàn)階段發(fā)展的移動機器人中，底層核心技術(shù)的發(fā)展確實是非常重要的，相信在未來，隨著機器人底盤技術(shù)的不斷成熟，我們將會再更多公共場所看到移動機器人靈活的身姿。這些技術(shù)的應(yīng)用將為倉儲和物流等各行各業(yè)帶來更高效、更智能的服務(wù)，具有重要的應(yīng)用價值。

審核編輯黃宇