本發(fā)明屬于服務(wù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于ros的服務(wù)機(jī)器人及其室內(nèi)導(dǎo)航方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的需要，服務(wù)機(jī)器人技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)逐漸進(jìn)入到家用，商用，導(dǎo)游，醫(yī)療，教育，安保等日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。在人口老齡化加劇，生活壓力增大的當(dāng)今社會(huì)，人們需要服務(wù)機(jī)器人能夠提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。根據(jù)目前市場數(shù)據(jù)顯示，在家用服務(wù)機(jī)器人中，大部分是清潔機(jī)器人和除草機(jī)器人，他們大多只能按照預(yù)先設(shè)定的命令完成任務(wù)，缺乏解決突發(fā)事件的能力，甚至缺少豐富的人機(jī)交互功能，此外，目前投入使用的送餐機(jī)器人，在送餐過程中需要沿著預(yù)先設(shè)定的磁性導(dǎo)航條來指引行走，導(dǎo)航過程中自主性較低。針對傳統(tǒng)服務(wù)機(jī)器人的這些不足之處，研發(fā)出一款具有豐富的人機(jī)交互能力與自主導(dǎo)航能力的服務(wù)機(jī)器人成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢。

2007年,斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室與機(jī)器人技術(shù)公司willowgarage合作開發(fā)出了機(jī)器人操作系統(tǒng)，2008年以后由willowgarage推廣并更新。至今，已經(jīng)更新到kinetic版本。ros的中文名稱是機(jī)器人操作系統(tǒng)，作為一種跨平臺的開源的次級操作系統(tǒng)，它能夠提供一些常用功能的功能包，同時(shí)也提供一些工具程序和庫程序。ros的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高代碼的復(fù)用率，能夠滿足社會(huì)各界的研究學(xué)者的使用需求，因此，在目前的科技領(lǐng)域發(fā)展相當(dāng)迅速。我們使用ros這個(gè)次級的操作系統(tǒng)，主要是因?yàn)樗c(diǎn)對點(diǎn)的設(shè)計(jì)，支持多種語言設(shè)計(jì)，如java，python，c++等，并且自由開源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是加強(qiáng)服務(wù)機(jī)器人的人機(jī)交互功能，在導(dǎo)航過程中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，自主避障等功能。因?yàn)?，現(xiàn)有的服務(wù)機(jī)器人大多存在人機(jī)交互內(nèi)容匱乏，導(dǎo)航過程中自主性較差，不足以解決突發(fā)事件，如室內(nèi)有移動(dòng)的人或者新的障礙物等不足。針對這些不足之處，本發(fā)明提出了一種基于ros的服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決問題所采取的技術(shù)方案是：

一種基于ros的服務(wù)機(jī)器人，其特征在于，所述服務(wù)機(jī)器人是一種人形機(jī)器人，包含運(yùn)動(dòng)底盤、外殼9、支撐架8、客戶端pc和底層pc3。其中運(yùn)動(dòng)底盤包含有車輪組5，電機(jī)11，編碼器12，電機(jī)控制板1，供電模塊4，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航模塊2，防碰撞模塊6，數(shù)據(jù)采集模塊7。外殼上安裝有觸摸屏顯示器10。所述底層pc3通過usb串口分別與所述防碰撞模塊6，數(shù)據(jù)采集模塊7，電機(jī)控制板1進(jìn)行通信。供電模塊4包含電池和電源轉(zhuǎn)換模塊，電池電壓通過電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為其他電壓，供其他設(shè)備使用。

其中，上述所述車輪組5由兩個(gè)萬向輪和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪組成，安裝在所述服務(wù)機(jī)器人移動(dòng)底盤底部。

上述所述防碰撞模塊6包含一組超聲波傳感器，平均的分散在服務(wù)機(jī)器人底盤的正前方。

上述所述數(shù)據(jù)采集模塊7采用北陽的激光測距儀。供電

上述所述的上層pc和底層pc3均安裝有機(jī)器人操作系統(tǒng)ros。

上述所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航模塊2包含陀螺儀和電子羅盤。

上述所述的基于ros的服務(wù)機(jī)器人的室內(nèi)導(dǎo)航方法，包含以下步驟：

(1)初始化：啟動(dòng)服務(wù)機(jī)器人，數(shù)據(jù)采集模塊7，啟動(dòng)控制模塊

(2)所述控制模塊控制服務(wù)機(jī)器人在室內(nèi)行走，所述數(shù)據(jù)采集模塊7檢測室內(nèi)環(huán)境信息

(3)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用ros提供的slam_gmapping功能包，利用步驟(2)中的信息，建立室內(nèi)環(huán)境地圖

(4)服務(wù)機(jī)器人在可視化窗口中加載步驟(3)中建立的室內(nèi)環(huán)境地圖，

(5)在步驟(4)可視化窗口中的地圖中，設(shè)置目標(biāo)位置，即想要去往的位置

(6)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用ros開源的acml功能包提供的粒子濾波算法，完成在室內(nèi)環(huán)境的自定位，在步驟(4)的可視化窗口中顯示

(7)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用ros開源的全局路徑規(guī)劃接口，完成在全局范圍內(nèi)的路徑規(guī)劃，規(guī)劃出一條從出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的安全，無障礙，無碰撞的軌跡

(8)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用ros開源的move_base接口，控制服務(wù)機(jī)器人按照步驟(7)規(guī)劃的軌跡向目標(biāo)位置運(yùn)行

(9)判斷服務(wù)機(jī)器人在導(dǎo)航過程中是否遇到未知障礙物(如行走的人)

(10)當(dāng)服務(wù)機(jī)器人沒有遇到步驟(3)中地圖未知的障礙物時(shí)，則按照步驟(7)規(guī)劃出的軌跡行走，到達(dá)目標(biāo)位置，完成導(dǎo)航，任務(wù)結(jié)束。

(11)當(dāng)服務(wù)機(jī)器人遇到未知的障礙物時(shí)，服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用ros開源的局部路徑規(guī)劃接口，規(guī)劃出躲避步驟(3)中地圖未知障礙物的軌跡，重復(fù)步驟(6)到步驟(11)的方法直到服務(wù)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置為止

(12)任務(wù)結(jié)束。

上述所述基于ros的服務(wù)機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航方法，其特征在于，步驟(7)所述的全局路徑規(guī)劃接口為dijkstra算法。

上述所述基于ros的服務(wù)機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航方法，其特征在于，步驟(10)所述的局部路徑規(guī)劃接口為動(dòng)態(tài)窗口法。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果

1、服務(wù)機(jī)器人采用目前流行的機(jī)器人操作系統(tǒng)——ros，由于其本身的開源性，使得機(jī)器人軟件系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，同時(shí)也提高了軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2、服務(wù)機(jī)器人使用激光測距儀檢測環(huán)境中的障礙物信息，檢測精度高，速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

3、服務(wù)機(jī)器人在路徑規(guī)劃中采用了全局路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃相結(jié)合的方式，能夠有效的實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人在導(dǎo)航過程中自主避障的功能。

4、服務(wù)機(jī)器人使用了觸摸屏顯示器，使用者能夠隨自己的意愿設(shè)定想要去往的地方，而不需要設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)定目標(biāo)位置，豐富了人機(jī)交互的功能。

附圖說明

圖1為服務(wù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖2為服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航流程圖

圖3為dijkstra算法流程圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

本發(fā)明涉及一種基于ros的服務(wù)機(jī)器人及其在室內(nèi)環(huán)境導(dǎo)航方法，所述服務(wù)機(jī)器人是一種人形機(jī)器人，包含移動(dòng)底盤、外殼9、支撐架8、上層pc和底層pc3，兩臺pc機(jī)同時(shí)安裝有相同版本的機(jī)器人操作系統(tǒng)，并通過wifi連接。啟動(dòng)服務(wù)機(jī)器人，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊7和控制模塊后，利用控制模塊控制服務(wù)機(jī)器人在室內(nèi)運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集模塊7獲取室內(nèi)環(huán)境信息，即室內(nèi)障礙物信息，利用slam_gmapping功能包創(chuàng)建室內(nèi)環(huán)境地圖，接著服務(wù)機(jī)器人加載創(chuàng)建好的室內(nèi)地圖，在機(jī)器人前胸上安裝的觸摸屏上可以看到一個(gè)室內(nèi)環(huán)境的二維地圖，我們可以人為的在地圖中設(shè)置要前往的位置即目標(biāo)位置，也就是服務(wù)機(jī)器人路徑規(guī)劃的目標(biāo)點(diǎn)，服務(wù)機(jī)器人利用acml功能包提供的粒子濾波算法完成在地圖中的自定位，也就是確定服務(wù)機(jī)器人路徑規(guī)劃的出發(fā)點(diǎn)；服務(wù)機(jī)器人利用ros提供的全局路徑規(guī)劃接口規(guī)劃出一條從出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的軌跡，是的服務(wù)機(jī)器人可以沿著這條軌跡安全、無碰撞的到達(dá)目標(biāo)位置，但是在實(shí)際的情況中，室內(nèi)的環(huán)境信息往往不是一成不變的，會(huì)有隨時(shí)走動(dòng)的人，或者偶爾移動(dòng)的桌椅櫥柜等，就會(huì)導(dǎo)致原來創(chuàng)建的地圖不能有效實(shí)時(shí)的反應(yīng)出實(shí)際的室內(nèi)環(huán)境，因此，我們加入了局部路徑規(guī)劃接口，使得服務(wù)機(jī)器人在運(yùn)行過程中能夠有效的躲避一些位置的障礙物，安全的到達(dá)目標(biāo)位置。

本發(fā)明服務(wù)機(jī)器人外形如圖1所示，包括移動(dòng)底盤、外殼9、支撐架8、上層pc和底層pc3，其中移動(dòng)底盤包含有車輪組5，電機(jī)11，編碼器12，電機(jī)控制板1，供電模塊4，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航模塊2，防碰撞模塊6，數(shù)據(jù)采集模塊7。外殼9上安裝有觸摸屏顯示器10。車輪組5主要包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)萬向輪，安裝在服務(wù)機(jī)器人底盤的底部；防碰撞模塊6主要使用了一組超聲波傳感器，均勻的分布在服務(wù)機(jī)器人底盤的正前方，用來檢測小范圍內(nèi)的障礙物，防止在移動(dòng)過程中發(fā)生碰撞；數(shù)據(jù)采集模塊7主要使用的是北陽的激光測距儀，用來采集室內(nèi)環(huán)境信息；運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航模塊2包含電子羅盤和陀螺儀，用來監(jiān)測服務(wù)機(jī)器人的朝向和測量服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)加速度。底層pc3和上層pc上均安裝有相同版本的機(jī)器人操作系統(tǒng)ros。底層pc3通過usb串口分別與所述防碰撞模塊6，數(shù)據(jù)采集模塊7，電機(jī)控制板2進(jìn)行通信。供電模塊4包含電池和電源轉(zhuǎn)換模塊，電池電壓通過電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為其他電壓，供其他設(shè)備使用。

如圖2所示，本發(fā)明的基于ros的服務(wù)機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航方法，步驟如下：

(1)初始化：啟動(dòng)服務(wù)機(jī)器人，環(huán)境探測模塊，控制模塊

(2)所述控制模塊控制服務(wù)機(jī)器人在室內(nèi)行走，所述環(huán)境探測模塊檢測室內(nèi)環(huán)境信息

(3)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用ros提供的slam_gmapping功能包，利用步驟(2)中的信息，建立室內(nèi)環(huán)境地圖

(4)服務(wù)機(jī)器人在可視化窗口中加載步驟(3)中建立的室內(nèi)環(huán)境地圖，

(5)在步驟(4)可視化窗口中的地圖中，設(shè)置目標(biāo)位置，即想要去往的位置

(6)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用ros開源的acml功能包提供的粒子濾波算法，完成在室內(nèi)環(huán)境的自定位，在步驟(4)的可視化窗口中顯示

(7)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用ros開源的全局路徑規(guī)劃接口，完成在全局范圍內(nèi)的路徑規(guī)劃，在規(guī)劃路徑的過程中利用global_planner功能包中提供的makeplan接口規(guī)劃出從start到goal的路徑，并通過publishplan接口發(fā)布到可視化的窗口中，將這條規(guī)劃出來的路徑真實(shí)的展現(xiàn)在可視化窗口中加載的地圖中。

(8)服務(wù)機(jī)器人move_base節(jié)點(diǎn)接收到global_planner發(fā)布的plan，驅(qū)動(dòng)服務(wù)機(jī)器人按照步驟(7)規(guī)劃的路徑向目標(biāo)位置運(yùn)行，也就是所謂的導(dǎo)航

(9)判斷服務(wù)機(jī)器人在導(dǎo)航過程中是否遇到未知的障礙物，也就是運(yùn)動(dòng)的物體或者未知的區(qū)域，即步驟(4)的地圖中未標(biāo)識的障礙物(如行走的人等)

(10)當(dāng)服務(wù)機(jī)器人沒有遇到未知障礙物時(shí)，即服務(wù)機(jī)器人在導(dǎo)航過程中，步驟(4)中創(chuàng)建的地圖與當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境完全匹配，此時(shí)服務(wù)機(jī)器人繼續(xù)按照步驟(7)規(guī)劃出的路徑完成導(dǎo)航，到達(dá)目標(biāo)位置，導(dǎo)航結(jié)束。

(11)當(dāng)服務(wù)機(jī)器人遇到未知的障礙物時(shí)，步驟(7)中規(guī)劃出來的路徑已經(jīng)不能使得服務(wù)機(jī)器人由起點(diǎn)安全、無碰撞的運(yùn)行到終點(diǎn)，也就意味著，服務(wù)機(jī)器人需要在未知障礙物附近重新規(guī)劃出一條路徑，以躲避障礙物，此時(shí)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)用局部路徑規(guī)劃接口，規(guī)劃出躲避未知障礙物的路徑，然后重復(fù)步驟(6)到步驟(11)的方法直到服務(wù)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置為止

(12)結(jié)束。

上述所述基于ros的服務(wù)機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航方法，其特征在于，步驟(7)所述的全局路徑規(guī)劃接口為dijkstra算法。如圖3所示，包括以下步驟：

設(shè)置開啟列表為o，關(guān)閉列表為c，起點(diǎn)s在關(guān)閉列表中，costmap中除起點(diǎn)s外的其他定點(diǎn)均位于開啟列表中，d(i，j)表示點(diǎn)i到點(diǎn)j的非負(fù)代價(jià)，即點(diǎn)i到點(diǎn)j之間的距離，costmap中任意兩個(gè)定點(diǎn)之間的非負(fù)代價(jià)值位于d中，為則dijkstra算法步驟如下：

(1)起點(diǎn)s位于關(guān)閉列表c中，判斷關(guān)閉列表是否為空，若為空，則算法結(jié)束

(2)關(guān)閉列表不為空，則分別計(jì)算關(guān)閉列表c中各定點(diǎn)到與其相鄰的定點(diǎn)之間的非負(fù)代價(jià),并從中選擇非負(fù)代價(jià)最小的鄰點(diǎn)pnew加入到關(guān)閉列表c中，其中pnew表示關(guān)閉列表中最新加入的定點(diǎn)

(3)從步驟(2)中選擇非負(fù)代價(jià)最小的鄰點(diǎn)pnew加入到關(guān)閉列表c中，并從開啟列表o中刪除，其中pnew表示關(guān)閉列表中最新加入的定點(diǎn)

(4)判斷關(guān)閉列表c中的pnew是否為目標(biāo)點(diǎn)，若pnew點(diǎn)是目標(biāo)點(diǎn)，則算法結(jié)束

(5)若pnew點(diǎn)不是目標(biāo)點(diǎn)，則返回步驟(2)繼續(xù)尋找新的定點(diǎn)pnew。

上述所述基于ros的服務(wù)機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航方法，其特征在于，步驟(10)所述的局部路徑規(guī)劃接口為動(dòng)態(tài)窗口法。動(dòng)態(tài)窗口法是在速度(v，ω)空間中采樣多組速度，并模擬服務(wù)機(jī)器人在這些速度下一定時(shí)間(sim_period)內(nèi)的軌跡，在得到多組軌跡以后，對這些軌跡進(jìn)行評價(jià)，選取最優(yōu)軌跡所對應(yīng)的速度來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行。動(dòng)態(tài)窗口法包含以下步驟：

(1)建立運(yùn)動(dòng)模型：在動(dòng)態(tài)窗口算法中，要模擬服務(wù)機(jī)器人的軌跡，就需要建立服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型。本發(fā)明中服務(wù)機(jī)器人是全向移動(dòng)的，因此運(yùn)動(dòng)模型定義為：

θt+1＝θt+ωt*δt

其中服務(wù)機(jī)器人在當(dāng)前時(shí)刻的位姿為(x，y，θ)，t+1時(shí)刻的位姿為(xt，yt，θt)，服務(wù)機(jī)器人的速度參數(shù)為(vx，vy，ωt)，δt為采樣周期

(2)采樣速度：在服務(wù)機(jī)器人的速度空間中存在無窮多組速度，因此需要對采樣的速度限制在一定的范圍內(nèi)，本發(fā)明是根據(jù)服務(wù)機(jī)器人自身速度大小的限制條件：

vm＝{v∈[vmin，vmax]，ω∈[ωmin，ωmax]}

(3)評價(jià)函數(shù)：在采樣的速度組中，有若干條軌跡是可行的，需要在其中找出最優(yōu)軌跡，采用的評價(jià)函數(shù)為：

g(v,ω)＝α*heading(v,ω)+β*dist(v,ω)+γ*velocity(v,ω)

其中：heading(v,ω)用來評價(jià)下一時(shí)刻服務(wù)機(jī)器人朝向目標(biāo)位置的程度，本發(fā)明中heading(v,ω)＝180-θ；dist(v,ω)表示服務(wù)機(jī)器人與障礙物之間的距離，在本發(fā)明中，一旦模擬的軌跡上出現(xiàn)障礙物，就舍棄該條軌跡；velocity(v,ω)用來評價(jià)當(dāng)前軌跡的速度。

通過以上三個(gè)步驟可以使服務(wù)機(jī)器人躲開障礙物，向目標(biāo)行進(jìn)。