CN109079736B - 一种基于ros的移动机器人平台的控制方法及*** - Google Patents
一种基于ros的移动机器人平台的控制方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及机械臂控制装置的技术领域,更具体地,涉及一种基于ROS的移动机器人平台的控制方法及***,包括:通过激光雷达对周围环境进行探测,分析得到环境分布地图;树莓派监听生产线原料补充信号,驱动移动机器人移动至指定位置;树莓派驱动机械臂夹取原料,并驱动移动机器人返回至相应位置进行原料补充;生产者发出任务执行指令时,树莓派接收指令驱动移动机器人移动至任务点并执行设定任务。本发明通过激光雷达采集到的距离数据对周围环境进行探测建模,控制移动机器人在生产线之间进行材料补充和完成指定工作,能够实现多个移动机器人之间的协同工作,提高生产灵活性,简化人工,提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及机械臂控制装置的技术领域,更具体地,涉及一种基于ROS的移动机器人平台的控制方法及***。
背景技术
在工业4.0的潮流中,生产线不断延长,需要提高自动化程度以负荷庞大的生产任务数量。未来生产实行物流过程现代化是必然趋势,从长远角度来看,只是单独的人机协同合作不能完全满足现代化生产的灵活性要求,多机器人协同工作不仅可以提高生产效率,还可以简化人工。使用机器人替代人工,则需要机器人具备相应的自主能力。现有技术领域如生产流水线中,机器人参与生产的形式通常是固定位置的机械臂,进行统一生产动作,属于多线并行生产,较大的问题是生产线长度大,所需的机器人种类多,整个生产体系灵活性不够。
现有机器人多采用视觉传感器,对采集数据进行图像处理后,得出对机器人周围环境的建模,再进行下一步的操作。进行图像处理的视觉传感器容易受到环境光线的影响;而且图像数据的处理需要机器人有很强的数据处理能力,匹配其数据量需要提高处理器的成本,同时大量的数据处理将导致机器人的实时性下降。另外,现有技术采用机器人固定位置工作的方式,生产线的长度不断延长,生产灵活性不足,而且现有技术对于各型号机器人的软件平台不尽相同,无法快速进行操作方法的移植。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于ROS的移动机器人平台的控制方法及***,多个移动机器人之间能够实现协同工作,提高工作效率,简化人工。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
提供一种基于ROS的移动机器人平台的控制方法,包括以下步骤:
S1. 通过激光雷达对周围环境进行探测,并将探测得到的数据上传至树莓派中,通过SLAM算法进行处理,得到环境分布地图;
S2. 生产者未发出任务执行指令时,树莓派监听生产线原料补充信号;当树莓派接收到原料补充信号时,树莓派驱动移动机器人移动至指定位置;
S3. 在步骤S2后,树莓派驱动机械臂夹取原料,并驱动移动机器人返回至相应位置进行原料补充;
S4. 生产者发出任务执行指令时,树莓派接收指令驱动移动机器人移动至任务点并执行设定任务。
本发明的基于ROS的移动机器人平台的控制方法,通过激光雷达采集到的距离数据对周围环境进行探测建模,控制移动机器人在生产线之间进行材料补充和完成指定工作,能够实现多个移动机器人之间的协同工作,从而简化人工、提高工作效率,克服固定位置机械臂在生产中的局限,提高生产灵活性。
优选地,步骤S1中所述SLAM算法包括以下步骤:
S11. 在三维空间中建立参考点集P1和目标点集P2,所述目标点集的数据来源于步骤S1中激光雷达的探测数据;
S12. 筛选点对:选取参考点集P1中的点,在目标点集P2中搜索出距离最近的点,组成一个点对;寻找参考点集P1和目标点集P2中所有的点对,形成两个新的点集;
S13. 根据步骤S12中所述点对,计算步骤S12中两个新的点集的重心;并基于所述重心间的差异计算旋转矩阵和平移矩阵;
S14. 计算目标点集P2依据步骤S13中所述旋转矩阵和平移矩阵进行刚体变换之后的第二目标点集P2′;计算P2到P2′的距离平方和,以连续两次距离平方和之差绝对值作为是否收敛的依据;若所述绝对值小于设定数值,则收敛,停止迭代;否则,转步骤S15;
S15. 重复步骤S11~S14,直至收敛或达到既定的迭代次数。
基于激光雷达探测得到的距离数据,通过SLAM算法进行处理得到环境分布地图,能够减少进行环境建模需要的数据量,降低数据处理成本,同时提高传感器的抗干扰性。
优选地,步骤S1中,所述激光雷达探测得到的数据以点云的形式返回至树莓派。数据以点云的形式返回树莓派,能够减少进行环境建模需要的数据量,降低数据处理成本。
优选地,步骤S2中,原料补充信号的形成方法为:在原料放置位置使用质量传感器监测原材料质量,质量传感器连接有控制模块;当原材料质量低于设定阈值时,控制模块向观测模块发出原料补充信号,观测模块通过无线网络向树莓派发出原料补充信号。采用质量传感器监测原材料质量以判断是否需要补充原料,装置简单,测量准确。
优选地,步骤S4中,移动机器人平台根据生产者通过机器人操作***中的终端设置的任务优先级进行任务选择。
优选地,移动机器人平台先选择优先级高的任务执行。
优选地,在执行步骤S1~S4时,以生产者的电脑为主机,以移动机器人的ROS操作***为从机,主机从机之间进行数据共享。主机和从机之间使用无线网络进行数据共享,实现生产者对生产情况的实时监测;ROS操作***的使用能够提高移动机器人的可移植性;通过***中节点管理器Master与所有节点进行数据交互,每一个节点对应一个程序功能,包括感知模块的数据获取,机械臂的抓取动作执行以及移动底盘的移动和避障。
本发明还提供了一种基于ROS的移动机器人平台的控制***,包括数据处理模块以及与数据处理模块连接的感知模块、观测模块、抓取模块以及驱动模块:
所述观测模块为图形显示模块,所述图形显示模块设于移动机器人的操作***,所述操作***与生产者的电脑连接;
所述抓取模块包括驱动舵机和机械臂,所述驱动舵机与数据处理模块连接,所述机械臂与驱动舵机连接;
所述驱动模块包括驱动电路、驱动电机以及电源,所述电源与驱动电路连接,所述驱动电机与驱动电路连接;所述驱动模块设于移动底盘上,所述移动底盘设于移动机器人的底部。
本发明的基于ROS的移动机器人平台的控制***,通过感知模块对周围环境进行探测,并将得到的数据上传至数据处理模块分析处理得到环境分布地图;数据处理模块接收到原料补充信号时,数据处理模块向驱动电路发送移动指令,移动机器人移动到指定位置夹取原材料,再返回至相应位置进行原料补充;当生产者发出任务执行指令时,数据处理模块驱动移动机器人移动至任务点并执行设定任务。
进一步地,所述感知模块与数据处理模块通过USB通信方式进行数据交换,驱动舵机使用GPIO方式接收数据处理模块发出的指令,所述驱动电路与数据处理模块通过串口进行通信。感知模块中,通过激光雷达对环境进行探测,与树莓派之间采用USB通信方式进行数据交换;观测模块中,观测平台通过树莓派中的机器人操作***建立主从机模式,使用无线网络进行数据共享;抓取模块中,驱动舵机使用通用输入输出(GPIO)方式接收树莓派发出的指令进行机械臂驱动,再通过舵机与抓取夹臂的电气连接执行树莓派指定的抓取任务;驱动模块中,驱动电路板与树莓派通过串口进行通信,同时通过驱动电路板连接电源对所述移动平台进行供电。
进一步地,所述数据处理模块为树莓派,所述感知模块为激光雷达。在树莓派中安装移动机器人操作***,通过该***结合激光雷达探测的数据对机械臂和移动机器人发出控制指令;机器人操作***通过***中节点管理器Master与所有节点进行数据交互,每一个节点对应一个程序功能,包括激光雷达的数据获取,机械臂的抓取动作执行,移动机器人的移动和避障。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明通过激光雷达采集到的距离数据对周围环境进行探测建模,控制移动机器人在生产线之间进行材料补充和完成指定工作,能够实现多个移动机器人之间的协同工作,能够简化人工、提高工作效率,提高生产灵活性;
(2)本发明基于激光雷达探测得到的距离数据,通过SLAM算法进行处理得到环境分布地图,能够减少进行环境建模需要的数据量,降低数据处理成本,同时提高传感器的抗干扰性;
(3)本发明以生产者的电脑为主机,以移动机器人的操作***为从机,主机和从机之间通过无线网络进行数据共享,实现生产者对生产情况的实时监测。
附图说明
图1为本发明的基于ROS的移动机器人平台的控制***的电气原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
本实施例为基于ROS的移动机器人平台的控制方法的实施例,包括以下步骤:
S1. 通过激光雷达对周围环境进行探测,并将探测得到的数据上传至树莓派中,通过SLAM算法进行处理,得到环境分布地图;
具体地,在树莓派上安装ROS操作***作为基于ROS的移动机器人平台的基础,使用ROS操作***建立该机器人平台的urdf模型,模型的具体文件可以通过SolidWorks软件或者机器人ROS操作***中的Gazebo建立。在Gazebo中模拟移动机器人平台的运行情况,并通过即时定位和建图(SLAM)算法得到环境分布地图,将模拟环境与真实环境进行匹配。
S2. 生产者未发出任务执行指令时,树莓派监听生产线原料补充信号;当树莓派接收到原料补充信号时,树莓派驱动移动机器人移动至指定位置;
S3. 在步骤S2后,树莓派驱动机械臂夹取原料,并驱动移动机器人返回至相应位置进行原料补充;
S4. 生产者发出任务执行指令时,树莓派接收指令驱动移动机器人移动至任务点并执行设定任务。
其中,步骤S1中所述SLAM算法包括以下步骤:
S11. 在三维空间中建立参考点集P1和目标点集P2,所述目标点集的数据来源于步骤S1中激光雷达的探测数据;
S12. 筛选点对:选取参考点集P1中的点,在目标点集P2中搜索出距离最近的点,组成一个点对;寻找参考点集P1和目标点集P2中所有的点对,形成两个新的点集;
S13. 根据步骤S12中所述点对,计算步骤S12中两个新的点集的重心;并基于所述重心间的差异计算旋转矩阵和平移矩阵;
S14. 计算目标点集P2依据步骤S13中所述旋转矩阵和平移矩阵进行刚体变换之后的第二目标点集P2′;计算P2到P2′的距离平方和,以连续两次距离平方和之差绝对值作为是否收敛的依据;若所述绝对值小于设定数值,则收敛,停止迭代;否则,转步骤S15;
S15. 重复步骤S11~S14,直至收敛或达到既定的迭代次数。
步骤S1中,所述激光雷达探测得到的数据以点云的形式返回至树莓派。数据以点云的形式返回树莓派,能够减少进行环境建模需要的数据量,降低数据处理成本。
步骤S2中,原料补充信号的形成方法为:在原料放置位置使用质量传感器监测原材料质量,质量传感器连接有控制模块;当原材料质量低于设定阈值时,控制模块向观测模块发出原料补充信号,观测模块通过无线网络向树莓派发出原料补充信号。
步骤S4中,移动机器人平台根据生产者通过机器人操作***中的终端设置的任务优先级进行任务选择;移动机器人平台先选择优先级高的任务执行。
在执行步骤S1~S4时,以生产者的电脑为主机,以移动机器人的操作***为从机,主机从机之间进行数据共享;主机和从机之间使用无线网络进行数据共享,实现生产者对生产情况的实时监测。
经过以上步骤,本发明通过激光雷达采集到的距离数据对周围环境进行探测建模,控制移动机器人在生产线之间进行材料补充和完成指定工作,能够实现多个移动机器人之间的协同工作,从而简化人工、提高工作效率。
实施例二
如图1所示为本发明的基于ROS的移动机器人平台的控制***的实施例,包括数据处理模块以及与数据处理模块连接的感知模块、观测模块、抓取模块以及驱动模块:
所述观测模块为图形显示模块,所述图形显示模块设于移动机器人的操作***,所述操作***与生产者的电脑连接;
所述抓取模块包括驱动舵机和机械臂,所述驱动舵机与数据处理模块连接,所述机械臂与驱动舵机连接;
所述驱动模块包括驱动电路、驱动电机以及电源,所述电源与驱动电路连接,所述驱动电机与驱动电路连接;所述驱动模块设于移动底盘上,所述移动底盘设于移动机器人的底部。
本实施例在实施时,驱动电路为型号为型号为STM32F103的驱动电路板上上的电路;通过感知模块对周围环境进行探测,并将得到的数据上传至数据处理模块分析处理得到环境分布地图;数据处理模块接收到原料补充信号时,数据处理模块向驱动电路发送移动指令,移动机器人移动到指定位置夹取原材料,再返回至相应位置进行原料补充;当生产者发出任务执行指令时,数据处理模块驱动移动机器人移动至任务点并执行设定任务。
其中,感知模块中,通过激光雷达对环境进行探测,与树莓派之间采用USB通信方式进行数据交换;观测模块中,观测平台通过树莓派中的机器人操作***建立主从机模式,使用无线网络进行数据共享;抓取模块中,驱动舵机使用通用输入输出(GPIO)方式接收树莓派发出的指令进行机械臂驱动,再通过舵机与抓取夹臂的电气连接执行树莓派指定的抓取任务;驱动模块中,驱动电路板与树莓派通过串口进行通信,同时通过驱动电路板连接电源对所述移动平台进行供电。
本实施例在实施时,在树莓派中安装移动机器人操作***,通过该***结合激光雷达探测的数据对机械臂和移动机器人发出控制指令;机器人操作***通过***中节点管理器Master与所有节点进行数据交互,每一个节点对应一个程序功能,包括激光雷达的数据获取,机械臂的抓取动作执行,移动机器人的移动和避障。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于ROS的移动机器人平台的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.通过激光雷达对周围环境进行探测,并将探测得到的数据上传至树莓派中,通过SLAM算法进行处理,得到环境分布地图;
S2.生产者未发出任务执行指令时,树莓派监听生产线原料补充信号;当树莓派接收到原料补充信号时,树莓派驱动移动机器人移动至指定位置;
S3.在步骤S2后,树莓派驱动机械臂夹取原料,并驱动移动机器人返回至相应位置进行原料补充;
S4.生产者发出任务执行指令时,树莓派接收指令驱动移动机器人移动至任务点并执行设定任务;
步骤S1中所述SLAM算法包括以下步骤:
S11.在三维空间中建立参考点集P1和目标点集P2,所述目标点集的数据来源于步骤S1中激光雷达的探测数据;
S12.筛选点对:选取参考点集P1中的点,在目标点集P2中搜索出距离最近的点,组成一个点对;寻找参考点集P1和目标点集P2中所有的点对,形成两个新的点集;
S13.根据步骤S12中所述点对,计算步骤S12中两个新的点集的重心;并基于所述重心间的差异计算旋转矩阵和平移矩阵;
S14.计算目标点集P2依据步骤S13中所述旋转矩阵和平移矩阵进行刚体变换之后的第二目标点集P2′;计算P2到P2′的距离平方和,以连续两次距离平方和之差绝对值作为是否收敛的依据;若所述绝对值小于设定数值,则收敛,停止迭代;否则,转步骤S15;
S15.重复步骤S11~S14,直至收敛或达到既定的迭代次数;
步骤S2中,原料补充信号的形成方法为:在原料放置位置使用质量传感器监测原材料质量,质量传感器连接有控制模块;当原材料质量低于设定阈值时,控制模块向观测模块发出原料补充信号,观测模块通过无线网络向树莓派发出原料补充信号。
2.根据权利要求1所述的基于ROS的移动机器人平台的控制方法,其特征在于,步骤S1中,所述激光雷达探测得到的数据以点云的形式返回至树莓派。
3.根据权利要求1所述的基于ROS的移动机器人平台的控制方法,其特征在于,步骤S4中,移动机器人平台根据生产者通过机器人操作***中的终端设置的任务优先级进行任务选择。
4.根据权利要求3所述的基于ROS的移动机器人平台的控制方法,其特征在于,移动机器人平台先选择优先级高的任务执行。
5.根据权利要求1所述的基于ROS的移动机器人平台的控制方法,其特征在于,在执行步骤S1~S4时,以生产者的电脑为主机,以移动机器人的ROS操作***为从机,主机从机之间进行数据共享。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的控制方法的控制***,其特征在于,包括数据处理模块以及与数据处理模块连接的感知模块、观测模块、抓取模块以及驱动模块:
所述观测模块为图形显示模块,所述图形显示模块设于移动机器人的操作***,所述操作***与生产者的电脑连接;
所述抓取模块包括驱动舵机和机械臂,所述驱动舵机与数据处理模块连接,所述机械臂与驱动舵机连接;
所述驱动模块包括驱动电路、驱动电机以及电源,所述电源与驱动电路连接,所述驱动电机与驱动电路连接;所述驱动模块设于移动底盘上,所述移动底盘设于移动机器人的底部;
感知模块中,通过激光雷达对环境进行探测,与树莓派之间采用USB通信方式进行数据交换;观测模块中,观测平台通过树莓派中的机器人操作***建立主从机模式,使用无线网络进行数据共享;抓取模块中,驱动舵机使用通用输入输出(GPIO)方式接收树莓派发出的指令进行机械臂驱动,再通过舵机与抓取夹臂的电气连接执行树莓派指定的抓取任务;驱动模块中,驱动电路板与树莓派通过串口进行通信,同时通过驱动电路板连接电源对所述移动平台进行供电;
机器人操作***通过***中节点管理器Master与所有节点进行数据交互,每一个节点对应一个程序功能,包括激光雷达的数据获取,机械臂的抓取动作执行,移动机器人的移动和避障。
7.根据权利要求6所述的控制***,其特征在于,所述数据处理模块为树莓派,所述感知模块为激光雷达。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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