【《基于ROS操作系统的两轮差速移动机器人硬件实验平台的搭建案例分析》1500字】

基于ROS操作系统的两轮差速移动机器人硬件实验平台的搭建案例分析1.1硬件平台本文以移动机器人的室内应用为背景，自主搭建了以ROS为操作系统的两轮差速移动机器人硬件平台。硬件系统如图2-1所示。包括CPU、伺服驱动、电源模块、激光雷达等传感器。图2-1硬件系统框图1.1.1主控板NVIDIAJetsonTX2JetsonTX2是一款超级计算机模块，主要用于人工智能。如图2-2所示，该模块采用NVIDIAPascal™架构。不仅尺寸小巧，而且同时具备所有效能，适用于无人机、机器人、可携式医疗装置以及智能型相机等智能型尖端装置。除此之外，JetsonTX2在支持JetsonTX1模块所有功能的基础上，也适用于大型、复杂的深度神经网络。主要参数见表2-1。图2-2JetsonTX2开发板表2-1TX2主要参数参数NVIDIAJetsonTX2CPU双核心Denver264-bitCPU四核心ARM®A57ComplexGPU新一代NVIDIAPascal™架构GPU内存与储存8GBL128bitDDR432GBeMMC5.1Flash网络支持801.11acWLAN、蓝牙1.1.2低压伺服系统底层控制采用Kinco低压伺服系统，如图2-3所示。支持脉冲、模拟量控制；支持编码器信号输出，主从跟随功能；支持Modbus、Canopen、EtherCAT通讯控制；设计结构紧凑，拥有16位I/O接口；适用于物流设备、医疗设备等需要高响应速度、高定位精度的场合。图2-3Kinco低压伺服系统1.1.3UTM-30LX激光雷达移动机器人硬件平台所搭载的激光雷达是北阳的UTM-30LX，如图2-4所示。其拥有30m，270°测量范围，IP64防护等级，DC12V输入，25ms扫描时间，可用于户外。图2-4UTM-30LX搭建完成的硬件平台如图2-5所示。图2-5自主搭建的AGV小车1.2软件平台1.1.1ROS机器人操作系统ROS不是像Windows或Linux这样的实际操作系统，而是用于机器人软件的灵活通用框架。它的目标是提高机器人研发中的软件复用率，核心是为在单个计算机或异构计算机群集上运行的软件模块网络提供对等通信层[40]。在ROS框架中，进行计算的软件模块称为节点。节点通过交换消息相互通信。消息的字段使用简单的界面定义和语言定义，并且它们可以包含基本数据类型，例如字符串，整数或数组或其他消息类型的组合。创建自定义消息类型也很容易。消息可以以发布者/订阅者的方式以异步方式进行交换，或者以同步模式作为客户端/服务器模式下的服务进行交换，如图2-6所示。a.话题模型b.服务模型图2-6ROS通信机制在发布者/订阅者通信中，一个节点（或多个节点）可以将消息（例如传感器测量结果或数据处理结果）发布到字符串指定的主题。对此信息感兴趣的节点可以订阅该话题以接收消息。在客户端/服务器通信中，一个节点通过通告服务来充当服务器，服务名称可指定，并且对该服务感兴趣的节点可以通过将其作为客户端连接并发送具有两组相似字段的服务调用来使用消息，一种用于请求，另一种用于响应。在两种通信模式下，ROS主节点都会跟踪话题和服务以及相应的发布者/订阅者和客户端/服务器，以通知节点它们需要在何处发送其信息。除了通信框架外，ROS及其随附的社区还提供了许多工具和库，使开发人员可以专注于主要问题而不是开发支持软件。常用工具包括可视化工具Rviz和录制/播放工具rosbag。可视化工具Rviz使从点云到轨迹的许多消息类型的可视化变得容易，而录制/播放工具rosbag使人们能够记录感兴趣的话题消息以供以后使用。转换库tf[41]是ROS框架的重要组成部分，因为移动机器人通常具有各种坐标系（用于传感器，工具和机器人本身），需要在它们之间转换数据。tf库侦听包含来自所有节点的不同坐标框架之间的转换的消息，并形成框架的树结构以便于遍历，如图2-7所示。tf节点还会在预定时间段内保留两个帧之间每个转换的历史记录。然后，节点可以在任意时刻从tf节点查询任意两帧之间的转换。图2-7机器人中的tf变换1.1.2软件系统软件系统主要由节点以及节点发布和订阅的消息组成，如图2-8所示。图2-8软件系统节点图图2-8中，椭圆框表示节点，矩形框表示节点发布或订阅的消息，取决于箭头的指向。该软件系统主要由节点/hector_mapping和节点/rplidar_node组成，节点/hector_mapping订阅激光雷达消息/sc