德州职业技术学院 王东霞

移动机器人由多个模块构成，自动导航系统是其中重要模块之一，直接关系到机器人的运动情况。基于此，本文对基于ROS的移动机器人自动导航系统进行了设计，为现代移动机器人领域的发展提供一定帮助。该系统包括硬件与软件两部分，由SLAM功能、导航功能等构成，可自动进行定位、绘图、导航等工作。

科学技术迅猛发展的今天，移动机器人技术更加成熟与完善，其已被广泛应用到各个领域。通过移动机器人的应用，减少了人员的参与，不仅提升了各项工作的开展效率，还降低了各种问题的发生率，对现代社会发展具有重要意义。所以，现代社会发展过程中，急需设计出一种性能良好且功能健全的移动机器人自动导航系统，以进一步提升移动机器人性能。

1 硬件设计

在硬件方面，其主要由两大模块构成，一个是移动底盘，在底盘的前端安装一对独立的驱动轮；在底盘的后端安装一对小脚轮，通过调节轮子的速度，以此达到控制机器人左右移动的目的。该方式机动性更强，控制效果更好，且成本相对较低。另一个是核心模块，主要包括：（1）上位机系统。选择了ROS机器人平台，内部安装了Ubuntul6.04系统，用于绘图、定位、导航等工作；（2）雷达系统。采用了型号为RPLIDAR A的激光雷达传感器，发出的信息接触到障碍物后则会立即返回，以此可以推算出两者间的距离。在设备内部，安装了可以360°旋转的探头，能够对所有角度进行检测，测距半径最大值是8m；（3）电机编码器。选择了旋转编码器，用于推算设备旋转圈数，并以此为基础，结合轮的周长，推导出设备的移动速度，机器所处的具体位置等；（4）下位机。用于命令的发布，选择了型号为STM32S103-ARM M3单片机；（5）驱动器，获得下位机传输的命令后，调节电机的转动，以此控制设备的运动状况。

2 软件设计

2.1 ROS操作系统

ROS是现代机器人当中的重要组成部分，主要用于机器人的控制，直接关系到机器人的性能。ROS属于开源操作系统，可完成多种系统操作工作，如硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、模块间信息的传输、模块发行包的管理等。与此同时，还包括采集、分析、整理数据等功能，在各节点的连接下，将所有程序连接到一起，并通过话题的方式完成程序间数据的传输。在基本框架方面，共包括三个Level，分别为计算图级、文件级与开源社区级。

2.2 系统整体设计

在下位机方面，主要由以下程序构成：驱动程序，用于控制驱动器的运行；格式包程序，用于对通讯信息的管理；电源程序,用于对电源的控制等，在各程序模块共同作用下，发放相应指令，并向系统提供电力能源，控制上位机正常运行。在上位机方面，主要包括：雷达驱动程序，用于发射并接收激光信息；无线接口，用于与ROS连接；同时，在ROS另一端，可连接到计算机中，以控制工作量较大的软件，如rive软件、Gazebo软件等，使得系统能够完成绘图、导航等工作。此外，本设计当中，还以前人的研究成果为基础，利用节点的方式将多种功能包连接到一起，从而形成性能良好且功能健全的ROS系统，确保该系统能够有序完成数据分析、绘图、导航等工作。

2.3 软件系统设计

本系统设计时以ROS为核心操作模块，在构架方面采用了分布式的形式，因而在软件设计时，可根据功能的不同，将其划分为多个模块，并针对各模块予以设计，一方面减少了设计时间，另一方面降低设计难度，有利于后期的运维。本自动导航系统内，共包括gmapping、base-controller、move-basey、ydrobot、与amcl功能包等；其中，gmapping功能包加载了Rao-BlackWellized粒子概率算法，能够准确对相关信息进行整理与分析，有利于栅格图的绘制；base-controller功能包属于一种控制器，主要用于对整个设备进行运动控制，该功能包接收到信息后，经过对这些信息的计算与分析，进而发布相关指令，以控制轮子速度，与此同时，还会展示设备的运动距离；move-basey功能包将会以里程信息为基础，结合激光测量结果制定出最佳的运动路径；ydrobot功能包为描述文件，能够展示出设备的坐标改变情况；amcl功能包则加载了蒙塔卡罗定位法，可动态分析设备的在map内的位置。

2.4 SLAM功能设计

本系统设计中选择的是gmapping，其是一种开源功能包，主要利用RBPF粒子概率算法为基础而开发的。对于该功能包来说，安装了相应的编码器，以此采集里程信息，对信息要求相对较低，因而在激光雷达方面，仅需要选择精度一般的雷达即可，无需投入较高成本。该功能包刚刚开发时，主要是帮助机器人绘制图像，并确定出设备所处的位置。gmapping运行时，首先利用scan工具采集设备初始状态的各种信息；然后以此为基础，添加适当的IMU数据，以提升信息的准确性，并得到更加稳定的图像；最后，绘制栅格图，并利用rivz展示出来。具体如图1所示。

图1 SLAM功能流程图

2.5 导航功能设计

ROS导航时主要利用move-base与amcl两个功能包，传感器采集到相关数据后，会传输到move-base功能包，通过该功能包的分析，以此调节设备的运行状况并设计出最佳的运动路线。在另一个功能包的作用下，能够确定设备在整个栅格图中的位置，本系统所设计中，mave-base应符合下述几个要求：（1）可绘制出准确的外界环境图；（2）安装了激光雷达装置；（3）安装了编码器，可采集里程信息。该功能包内由两个costmap构成，一个用于设计全局路径，另一个用于设计本地实时路径，以此构建出环境图像。该图像内，长方形为设备检测的范围大小，灰度值为存在障碍物，进而可以得到设备的运行路线。设备导航时主要流程为：将设备启动，先分析给定坐标，确定目标点，并以此为基础，根据障碍物检测结果确定出最佳的运行路径，保证设备运行到目标点的同时，不会与周边物体发生碰撞。

3 调试分析

3.1 SLAM功能测试

按照设计内容完成设备安装后，将机器人驱动，通过ssh连接到移动平台的上位机计算机中，之后在系统内录入相应指令，观察各节点是否能够正常运行，能够获取相关信息。若未发现问题，将gmapping打开，则会使雷达、rivz模块运行，在rivz界面内会出现大量红色小点，且在界面左侧能够展示出具体信息。最后，观察系统是否能够绘制出栅格图。若上述全部未发现问题，则表明SLAM功能符合要求。本次研究中，选择了某办公室进行了验证，可绘制出较为清晰的栅格图，且通过与实物图对比后发现，两者结构基本相同，表示该功能符合要求。

3.2 导航功能测试

在电脑终端处，打开move-base内的launch文件，之后在rivz页面内选择“2DNav Goal”选项，界面内会形成绿色箭头，由此展示设备移动方向即机器人的运动路线。通过测试发现，本系统可在无碰撞的状态下自动移动到目标点，基本达到了预期要求。

总结：综上所述，自动导航系统是现代移动机器人当中的重要组成部分，直接关系到机器人的运动情况。基于此，本研究设计出了一款性能良好且功能健全的自动导航系统，通过该系统的应用能够绘制出较为准确的栅格图，并确定出无障碍运行路线，可为机器人的运行提供良好引导，符合移动机器人的开发要求。