智能终端应用开发基础 课件 第10章 机器人平台技术与应用

第10章

机器人平台技术与应用Contents01.机器人定义与组成02.激光雷达03.深度相机04.机器人教学平台介绍05.运行机器人01机器人定义与组成机器人定义机器人是自动执行工作的机器装置，可受人类指挥、运行预设程序或遵循AI原则行动，协助或取代人类工作，如生产、建筑及危险作业。机器人协会定义机器人为可编程序操作器，用于搬运材料、零件、工具，或通过改变程序动作完成各种作业的特殊机械装置。科学家定义机器人为自动化机器，具有与人或生物相似的智能能力，如感知、规划、动作和协同，是一种具有高级灵活性的自动化机器。国际标准组织描述机器人为动作机构似人或其他生物体，通用性强，工作多样，动作程序灵活，具智能性如记忆、感知等，可独立工作。数字化、云计算和AI技术进展推动机器人应用扩展，下一代机器人将涵盖更广泛概念，如无人驾驶汽车、智能家电等，都将会机器人化。机器人协会定义国际标准定义机器人定义展望科学家定义机器人定义控制系统控制系统基于处理器（如ARM、x86）实现任务处理、输出控制命令，相当于人的大脑，完成算法、关节控制、人机交互等功能。传感系统传感系统包括内外两部分，相当于人体感官和神经，内部包括里程计、陀螺仪等，外部包括摄像头、红外等环境检测传感器。驱动系统驱动系统驱动执行机构，转换控制命令为执行机构信号，如直流电机用PWM驱动板，伺服需专业驱动器，工业常用气压液压。执行机构执行机构是直接面向工作对象的机械装置，相当于人体的手和脚。根据不同的工作对象，适用的执行机构也各不相同。机器人组成02激光雷达测距原理01激光雷达通过发射激光束并接收目标回波，对比发射与回波信号，经处理后获取目标距离、方位、高度、速度、姿态及形状等参数，实现探测、跟踪和识别。三角测距法02三角测距法通过激光器和CCD接收器的配合，利用光学路径和三角公式计算被测物体距离。随着目标距离的变化，反射光在CCD上成像位置也不同。TOF飞行时间测距03TOF测距法通过记录激光脉冲的发射和回返时间差，结合光速计算距离。该方法无需复杂运算，实时性高，适用于长距离测量，对环境光影响小。激光雷达简介角度分辨率决定激光雷达一次完整扫描能返回多少个样本点，直接影响其空间感知能力。样本点越多，对环境的描绘越细致，能提供更多的空间信息。可视范围是激光雷达完整扫描的广角，定义了其有效探测和感知的范围。范围外为盲区，超出此区域的目标可能无法被雷达探测到，影响感知性能。扫描频率反映激光雷达完成一次完整扫描的速度，通常在10Hz及以上。频率越高，意味着雷达能更快获取周围环境信息，适用于需要实时响应的应用场景。测距分辨率衡量激光雷达在特定距离下的测距精确程度，通常与真实值相差5-20mm。该指标越高，表示雷达对距离变化的感知越敏感，定位能力越强。可视范围扫描频率角度分辨率测距分辨率激光雷达参数03深度相机深度相机应用：通过三维坐标还原真实场景，实现精准的场景建模和识别。在机器视觉、自动驾驶等前沿技术应用中发挥着不可或缺的作用，推动技术的持续发展。深度相机功能：普通彩色相机捕捉视角内物体，但不测量距离；深度相机则提供每个点到摄像头的距离，结合2D坐标，可确定图像中每点的三维空间坐标。深度相机简介通过近红外激光器投射结构光到物体上，红外摄像头采集反射光信息，运算单元处理结构变化得深度信息，构建三维结构，光源为不可见红外激光。结构光深度相机双目立体视觉通过左右相机捕捉图像，计算视差获取三维信息，成本低，室内外适用，但对环境光、纹理、计算复杂度高，且基线限制测量范围。双目立体视觉通过发射激光脉冲并检测反射光相位偏移，计算目标物距离，检测距离远、受环境光干扰小，但对设备要求高、资源消耗大、边缘精度低。TOF深度相机深度相机分类04机器人教学平台介绍供电系统机器人采用专用电源板，支持多电压输出，为底盘、机械臂及传感器模块稳定供电，确保机器人高效、持续工作。接口扩展性通过USB接口连接激光雷达、高清相机等模块，Nano主控配备USB3.0HUB，实现接口扩展，满足多样化传感需求。控制器配置配备NvidiaJetsonNano作为ROS主控制器，底盘与机械臂拥有独立控制器，实现高效协同作业，确保机器人运行流畅。模块化设计Abot机器人采用模块化设计理念，底盘与机械臂实现相对独立，便于单独控制与维护，提升了机器人的灵活性与扩展性。硬件框架

ROS控制器采用JetsonNano作为ROS节点控制器，运行Ubuntu18.04withJetPack系统，并安装Melodic版本的ROS机器人操作系统。底盘控制器OpenCRP机器人运动控制器以STM32F103为核心，集成IMU传感器，支持4路直流电机闭环控制，便于USB软件升级。激光雷达塔克T1激光雷达经过优化，专为ROS机器人设计，具备高测量频率和精度，适用于家庭、实验室等环境，光磁融合供电通信。核心组件说明专用电源板提供12V、7.2V和5V电源输出，满足机器人不同模块需求，方便用户进行功能扩展与升级。电源接口机器人对激光雷达和机械臂的USB通讯与控制端口进行了绑定，确保数据通信的准确性和稳定性，提升整体运行效率。USB端口核心组件说明集成1080PRGB相机与深度感知功能，配备双立体声麦克风及高端ISP芯片，支持环境光调节，优化图像质量，适合机器人视觉处理。深度相机机械臂末端配备1080P高清摄像头，具备120°广角与UVC免驱功能，支持语音识别，并配备云台实现手动调节视角。摄像头配备6自由度机械臂，采用高精度舵机与金属齿轮传动，结合进口双滚珠轴承和CNC铝合金中壳，确保长久稳定运行。机械臂核心组件说明05运行机器人ROS分布式协同01由于ROS具有分布式的特性，所以我们可以在多台计算机上进行协同工作，前提是已经在计算机上配置好了环境变量ROS_MASTER_URI。ROS_MASTER_URI配置02ROS_MASTER_URI的值为运行ROSMASTER计算机的IP地址，必须将所有要协同工作的计算机的ROS_MASTER_URI设为相同的值。ROS_IP配置03除ROS_MASTER_URI外，还要配置环境变量ROS_IP为本机的IP地址，机器人的配置机器人上的环境变量默认已经配置完毕，配置都已写入~/.bashrc文件中。配置环境变量ROS_IP自动检测：此处ROS_IP的配置为自动检测IP地址，并且将ROS_IP作为ROS_MASTER_URI，当用户打开终端时，终端中会显示配置好的环境变量。建议手动设置IP：建议将机器人的IP地址配置为手动（本例设置为192.168.31.101），这样我们机器人的IP地址就不会每次都变化，我们的其他电脑也不需要再重新配置环境变量了。PC虚拟机配置：修改PC虚拟机的环境变量，修改的内容与机器人类似，我们需要做的就是把ROS_MASTER_URI修改为机器人的IP地址，~/.bashrc文件中的ROBOT_IP环境变量即为机器人IP。更新环境变量配置：执行下面的命令来更新我们的配置，，更新并应用环境变量更改，确保系统配置的一致性。配置环境变量Ssh远程连接ssh远程连接可以让我们在终端中直接登陆上远程机器的系统，输入以下命令来连接到机器人（将IP地址替换为自己的地址），<table><tr><td>sshxtark@192.168.31.101</td></tr></table>。Ssh命令别名如果上一节的ROBOT_IP已经配置好，我们也可以使用一个ssh命令的别名来连接到机器人，此别名设置如下图，首次连接会有如下提示，我们输入yes并按回车继续进行。Ssh登录远程机接下来ssh提示我们需要输入远程机器人的用户密码，我们输入密码（此机器人用户名和密码默认都是xtark）按下回车即可登录到远程机器，登录后终端等同直接在机器人上执行。远程连接机器人Ssh断开连接想要从此终端断开与远程机器的连接，则只需要在终端中按下Ctrl+D即可断开，Sssh远程连接是控制远程机器人系统的直接方式，允许在终端中直接输入命令，这些命令会在机器人上执行。Vnc远程桌面对于大多数应用场景来说是不方便的，如果我们需要用到ROS机器人的图形界面时怎么办呢？可以采用远程桌面连接的方式进行远程连接机器人的图形界面。Vnc连接远程机在Linux下内置的VNC服务是较为方便的，所以我们采用VNC协议进行连接，VNC远程软件，在Linux下我们采用Ubuntu内置的Remmina，在Windows下我们采用免费的VNCViewer。远程连接机器人Vnc连接实例以VNCViewer为例，连接步骤如下图，确保机器人与我们PC在同一局域网下且已经配置好IP即可开始连接，机器人VNC服务器登录账号为xtark，密码为xtark。Vnc新建连接新建连接，输入IP地址和VNC主机名称(用户自定义)，单击OK按钮，输入机器人VNC密码，点击确定即可连接到机器人远程桌面。远程连接机器人ROS节点列表：在PC虚拟机上执行rosnodelist-a命令后，成功看到rosout节点以及运行此节点的主机地址为机器人的主机地址，证明我们已经配置好了ROS的环境变量。Ssh连机器人：首先我们用ssh连接到机器人，然后打开一个终端并运行roscore，如图10-28所示roscore是ROS的根节点，它初始化并管理整个ROS系统。验证配置要点三控制节点原理运行原理非常简单，机器人内置了底盘驱动节点，存放在xtark_driver功能包中，节点名称也叫xtark_driver，此节点通过订阅话题，cmd_vel来获取控制底盘移动的命令。要点一要点二控制底盘移动话题的消息类型为geometry/Twist，此消息类型为两个三维向量，分别控制底盘的线速度和角速度，详细内容如图10-30所示。想要控制机器人移动，只需要向此话题发布Twist类型的消息即可。键盘控制节点robot内置了通过键盘来发布消息的节点，存放在xtark_ctl包中，名称为xtark_twist_keyboard.py，此外这个功能包中还有一个launch文件，xtark_bringup_keyboard.launch。要点三键盘控制机器人移动键盘控制机器人移动Launch文件内容：可以帮我们集成启动底盘驱动节点和键盘控制节点，此文件内容如图10-31所示，我们只需要运行此launch文件即可用键盘