基于ROS的自主导航小车Plantbot--底层驱动

基于ROS的自主导航小车Plantbot--底层驱动

卓求卓求
  • 小车平台

小车采用差分驱动(differential drive),底座包括两个由直流电机驱动的主动轮以及两个用于支撑的从动轮。三层支撑板由玻纤板设计定做,层间连接件为螺杆,配以螺母,方便调节高度。为了测量轮子转速,选用的直流电机带有正交编码器。考虑到成本,选用观测周围信息的传感器为国产廉价单线激光雷达,有效观测距离为6m,近距离里融合超声波传感器实现避障。

第二层板上放的是NUC(Next Unit of Computing),可以视为一个没有显示器的小电脑,优点为体积小、质量轻,可以直接架设到小车平台上 。NUC 安装了Linux系统,在运行时跑ROS,直接处理包括激光雷达在内的传感器数据,负责控制命令接受、速度分解、PID调速以实现对小车的控制以及绘图、定位、导航的任务。同时SLAM的结果需要上位机来显示,NUC通过SSH与上位机实现通信。

平台的MCU为EK-TM4C123GXL Launchpad,这款单片机采用ARM Cortex-M4的CPU,因此比Arduino等单片机具有更好地性能,同时其IDE(集成开发环境,Integrated Development Environment)energia 的编程语言与Arduino IDE的相同,并且两者的大部分代码可以兼容。但并非全部,在接MPU6050测量四元数的时候,数据不能持续正常输出。同时Launchpad的IO口输出电压为3.3V,而大部分电路模块引脚的接入电压是5V,因此需要增加3.3V到5V的电压转换模块,增加了电路的复杂性。

后期为了拓展功能,又接了四路红外模块,分别用于防跌和避障,以及蓝牙模块,用来接收由手机App发送来的控制信息,由Arduino作控制器。

  • 底层ROS框架设计

底层ROS的运行状态设计图如下所示:

底层ROS的设计目标是:

1. 能够通过编码器的数据(lwheel、rwheel),得到此刻小车两轮的转速(lwheel_vel、rwwheel_vel),矢量合成为小车的运动速度, 并通过旋转矩阵变换为里程计坐标系上的速度,积分迭代得到在x,y轴前进的距离(粗略位姿估计,还会根据激光雷达定位信息纠正odom坐标);

2. 能够根据控制命令(cmd_vel)的要求速度,分解为小车两轮的速度 (lwheel_vtarget、rwheel_vtarget),并能通过控制车轮转速达到目标速度 (PID控制、分段速度法实现);

3. 获取超声波、红外传感器数据,判读距离障碍物的距离,实现自动避障,并考虑到工厂安全监测,拓展了防火、防雾的功能,可在Arduino板外接火焰或烟雾传感器,当小车在工厂中执行任务时,测到火灾隐患,蜂鸣器自动报警,同时通过主题/str发送对应消息 ,让小车停止任务,持续报警。

  • 控制器与ROS结点

底层设计的一个难点是如何将控制器作为一个节点,即传感器可以由控制器驱动、采集状态,但是如何将采集到的这些数据以message的形式传播到ROS框架中。对于串口连接,ROS提供了专门的功能包:rosserial,以及对于一些单片机的直接应用:rosserial_arduino可以直接在Arduino IDE中编程,成为结点;rosserial_tivac可以直接用于Launchpad。其它可以作为ROS节点的传感器可以参照Sensors supported by ROS。此外树莓派可以直接跑ROS,对于其它单片机如STM32,熟悉串口通信编程的话也可以自己写,比如@夜猫 提供的学习stm32版的ROS小车

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目录:

基于ROS的自主导航小车Plantbot--底层驱动
基于ROS的自主导航小车Plantbot--SLAM
基于ROS的自主导航小车Plantbot--自主导航

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