基於ROS的自主導航小車Plantbot--底層驅動

• 小車平台

小車採用差分驅動（differential drive），底座包括兩個由直流電機驅動的主動輪以及兩個用於支撐的從動輪。三層支撐板由玻纖板設計定做，層間連接件為螺桿，配以螺母，方便調節高度。為了測量輪子轉速，選用的直流電機帶有正交編碼器。考慮到成本，選用觀測周圍信息的感測器為國產廉價單線激光雷達，有效觀測距離為6m，近距離里融合超聲波感測器實現避障。

第二層板上放的是NUC（Next Unit of Computing），可以視為一個沒有顯示器的小電腦，優點為體積小、質量輕，可以直接架設到小車平台上 。NUC 安裝了Linux系統，在運行時跑ROS，直接處理包括激光雷達在內的感測器數據，負責控制命令接受、速度分解、PID調速以實現對小車的控制以及繪圖、定位、導航的任務。同時SLAM的結果需要上位機來顯示，NUC通過SSH與上位機實現通信。

平台的MCU為EK-TM4C123GXL Launchpad，這款單片機採用ARM Cortex-M4的CPU，因此比Arduino等單片機具有更好地性能，同時其IDE（集成開發環境，Integrated Development Environment）energia 的編程語言與Arduino IDE的相同，並且兩者的大部分代碼可以兼容。但並非全部，在接MPU6050測量四元數的時候，數據不能持續正常輸出。同時Launchpad的IO口輸出電壓為3.3V，而大部分電路模塊引腳的接入電壓是5V，因此需要增加3.3V到5V的電壓轉換模塊，增加了電路的複雜性。

後期為了拓展功能，又接了四路紅外模塊，分別用於防跌和避障，以及藍牙模塊，用來接收由手機App發送來的控制信息，由Arduino作控制器。

• 底層ROS框架設計

底層ROS的運行狀態設計圖如下所示：

底層ROS的設計目標是：

1. 能夠通過編碼器的數據（lwheel、rwheel），得到此刻小車兩輪的轉速（lwheel_vel、rwwheel_vel），矢量合成為小車的運動速度， 並通過旋轉矩陣變換為里程計坐標繫上的速度，積分迭代得到在x，y軸前進的距離（粗略位姿估計，還會根據激光雷達定位信息糾正odom坐標）；

2. 能夠根據控制命令（cmd_vel）的要求速度，分解為小車兩輪的速度 （lwheel_vtarget、rwheel_vtarget），並能通過控制車輪轉速達到目標速度 （PID控制、分段速度法實現）；

3. 獲取超聲波、紅外感測器數據，判讀距離障礙物的距離，實現自動避障，並考慮到工廠安全監測，拓展了防火、防霧的功能，可在Arduino板外接火焰或煙霧感測器，當小車在工廠中執行任務時，測到火災隱患，蜂鳴器自動報警，同時通過主題/str發送對應消息 ，讓小車停止任務，持續報警。

• 控制器與ROS結點

底層設計的一個難點是如何將控制器作為一個節點，即感測器可以由控制器驅動、採集狀態，但是如何將採集到的這些數據以message的形式傳播到ROS框架中。對於串口連接，ROS提供了專門的功能包：rosserial，以及對於一些單片機的直接應用：rosserial_arduino可以直接在Arduino IDE中編程，成為結點；rosserial_tivac可以直接用於Launchpad。其它可以作為ROS節點的感測器可以參照Sensors supported by ROS。此外樹莓派可以直接跑ROS，對於其它單片機如STM32，熟悉串口通信編程的話也可以自己寫，比如@夜貓 提供的學習stm32版的ROS小車。

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基於ROS的自主導航小車Plantbot--底層驅動

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