ROS機器人實例 —— HRMRP

05-04

HRMRP(Hybrid Real-time Mobile Robot Platform，混合實時移動機器人平台)是筆者在2012年和實驗室的小夥伴們一起從零開始設計、開發的一款機器人平台，其中大部分擴展電路、驅動和ROS相關的底層功能都是我們自己開發。該機器人平台具有軟硬體可編程、靈活性強、模塊化、易擴展、實時性強等特點，機器人的整體結構如下圖所示。

HRMRP具備豐富的感測器和執行器，在該平台的基礎上，可以現了機器人SLAM、自主導航、人臉識別、機械臂控制等功能。

總體架構設計

HRMRP的總體架構如下圖所示。

1. 硬體層

（1）機械平台

HRMRP主體結構為鋁合金材質，尺寸為316mm ×313mm ×342mm（高×寬×長），裝配兩個驅動輪與一個萬向輪。驅動輪由兩個30W的直流電機帶動，轉速可達83轉/分鐘，機器人最快速度1.5m/s。HRMRP還裝有一個六自由度機械臂，可以完成三維空間內的夾取操作。

（2）控制平台

嵌入式系統具備小型化、低功耗、低成本、高靈活性等顯著的特點，電子技術的發展也促使可編程門陣列FPGA在嵌入式系統中得到了越來越廣泛的應用，很大程度上改善了嵌入式系統硬體的靈活度與繁瑣計算的實時化。

HRMRP的控制平台即基於Xilinx最新一代集成FPGA與ARM的SoC——Zynq。

Zynq由處理系統（Processor System，PS）與可編程邏輯（Programmable Logic，PL）兩部分組成。其中PS基於ARM Cortex-A9雙核處理器構建，包含常用的外設介面，例如網路、USB、內存控制器等。而PL由Xilinx的7系列FPGA構成，支持動態重配置，可以使用Verilog語言編程。

在HRMRP中，PS通過操作系統控制所有功能正常有序的實現，而PL作為協處理器，一方面可以對複雜運算做並行加速處理，另一方面可以進行I/O介面擴展，為多感測器和執行器設計統一的介面，提高系統硬體配置的靈活性。

（3）感測器系統

在機器人核心感測器的選擇上，HRMRP使用了高性價比、高集成度的微軟Kinect 感測器。除此還裝配有超聲波、加速度、里程計、陀螺儀等多種感測器，確保機器人平台可以採集到豐富的感測信息。

2. 驅動層

驅動層的主要工作是採集或預處理硬體層的數據，下發操作系統層的指令，為底層硬體與上層功能模塊提供相應的數據傳輸通道。由於我們採用「ARM+FPGA」異構控制平台，為配合硬體層功能，驅動層也分為兩部分，分別放置於硬體的PS端和PL端。

PS端主要驅動連接到ARM處理器的外設，例如通過PS中的OpenNI驅動Kinect，並且提供PL端到PS端的介面。而在PL端中，利用可編程硬體的靈活性和並行處理能力，進行I/O擴展與演算法的硬體加速，如下圖所示。

在I/O擴展方面，傳統的設計實現中，種類繁多的感測器、執行器對介面的要求各不相同，會佔用大量I/O資源，增加處理器的負擔。而在HRMRP的ARM+FPGA系統當中，通過定義一組標準的硬體介面，連接感測器和電機等外設，可使用編程邏輯取代繁雜的電路連接工作，滿足各種不同需求的硬體外設。

在硬體加速方面，一般來說PS端適合常用介面的驅動、網路數據的處理等功能，而PL端適合於規律性的演算法處理，在HRMRP中主要負責Kinect的數據預處理工作（這裡我們將OpenNI中的部分代碼放入FPGA中進行加速）。PS與PL相互配合，提高了系統數據處理的實時性。

3. 操作系統層

操作系統層是機器人平台的控制核心，集成了機器人的功能模塊，負責行為控制、數據上傳、指令解析、人機交互等功能。為與ROS通信介面保持一致，使用Ubuntu作為操作系統，運行於Zynq的PS端ARM處理器之中。

ROS為用戶的不同需求提供了大小和功能不同的多種安裝包，為了減少ARM端的執行壓力，HRMRP編譯移植了僅包括ROS基本通信機制的核心庫。繼承了ROS的優勢，機器人平台具備ROS通信以及功能包運行的能力，與上層網路指令無縫連接，結合開源軟體庫，極大地豐富了機器人的功能模塊與應用範圍。

HRMRP是一種較為典型的高性能、低成本機器人平台。與現在研究和應用中使用較為廣泛的TurtleBot、Pioneer等機器人相比，HRMRP具有相似的結構與尺寸，同樣可以完成多種多樣的機器人應用；但是在介面的可擴展性、感測器的豐富度以及成本控制等方面，具備更好的綜合性能。

SLAM與導航

在以上架構的基礎上實現每個模塊的具體功能，系統運行狀態下的數據流圖如下圖所示。

HRMRP在室內環境下的SLAM建圖效果如下圖所示。

基於SLAM建立的地圖完成導航的效果如下圖所示。

多機器人擴展

ROS作為一個分散式框架，從微觀的角度講，分散式體現在節點的布局和配置上，而從宏觀的角度講，這種分散式可以體現在多機器人、多主機集成的系統當中。在HRMRP機器人的基礎上，我們試圖提出一種多機器人實現的框架，如下圖所示。

由於機器人架構多種多樣，處理應用的能力也各不相同，在不同場合下的需求也有差異，我們設計了伺服器層來提高機器人應用的計算能力，負責調度、分配多機器人應用中的任務，同時為用戶提供友好、易用的人機交互界面。

分布的機器人節點與伺服器都採用ROS框架設計，使用無線網路通信，可以快速集成ROS社區中豐富的應用功能。在多機器人系統當中，通過機器人之間的信息共享和與任務協作，可以讓每個機器人在充分發揮自己能力的同時，獲得更多額外的應用潛力。

機器人節點是應用的執行者與信息的採集者。在該系統中可以集成多種採用ROS框架的機器人，這裡以HRMRP機器人平台為例，針對多機器人的框架也進行了測試，除HRMRP機器人之外，還使用樹莓派製作了一個簡單的小型機器人。

在實驗中，HRMRP機器人在地圖上自主導航前進，伺服器負責應用的處理與顯示，同時將HRMRP的位置信息轉發給樹莓派機器人；樹莓派機器人收到信息後，緊跟HRMRP，效果如下圖所示。

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