機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐時(shí)間：主講人：XXXXXX01機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)02機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路03機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐4目錄PART01機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)SLAM可以描述為機(jī)器人在未知的環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng)，移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航。

SLAM的應(yīng)用家庭、商場、車站等場所是室內(nèi)機(jī)器人的主要應(yīng)用場景，在這些應(yīng)用中，用戶需要機(jī)器人通過移動(dòng)完成某些任務(wù)，這就需要機(jī)器人具備自主移動(dòng)、自主定位的功能，我們把這類應(yīng)用統(tǒng)稱為自主導(dǎo)航。SLAM的定義SLAM無人駕駛無人機(jī)AR機(jī)器人導(dǎo)航在ROS中機(jī)器人導(dǎo)航(Navigation)由多個(gè)功能包組合實(shí)現(xiàn)，ROS中又稱之為導(dǎo)航功能包集，關(guān)于導(dǎo)航模塊，官方的定義是：一個(gè)二維導(dǎo)航堆棧，它接收來自里程計(jì)、傳感器流和目標(biāo)姿態(tài)的信息，并輸出發(fā)送到移動(dòng)底盤的安全速度命令。通俗地理解，導(dǎo)航其實(shí)就是機(jī)器人自主的從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)的過程。在機(jī)器人的路徑規(guī)劃中，需要讓機(jī)器人自行去決定下一步以何種姿態(tài)往何處行走，一步一步累計(jì)起來才能以最小的代價(jià)到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)，這是機(jī)器人全局規(guī)劃的基本思想，而實(shí)現(xiàn)這種思想，在ROS導(dǎo)航功能包集中主要依靠的就是A*算法。A*算法是一種求解靜態(tài)路網(wǎng)最優(yōu)路徑最常用的直接搜索方法也是解決許多搜索問題的有效算法。估計(jì)距離越接近實(shí)際值，最終搜索速度越快。

圖A*算法PART02機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路對(duì)于普通機(jī)器人建圖操作的設(shè)計(jì)，常見的有兩組方案，基于激光雷達(dá)的SLAM以及基于視覺的SLAM，其中激光雷達(dá)的測量更為準(zhǔn)確，誤差模型簡單，并且運(yùn)行較為穩(wěn)定，所以此次設(shè)計(jì)采用基于激光雷達(dá)SLAM。雷達(dá)選取對(duì)于此撿乒乓球機(jī)器人所使用的雷達(dá)選取，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的環(huán)境需要盡可能的簡單，所以掃描環(huán)境雷達(dá)也要盡量匹配環(huán)境。而且乒乓球場地是全包圍的結(jié)構(gòu)，因此選取的雷達(dá)需要能夠?qū)崿F(xiàn)360度的全方位激光掃描，同時(shí)需要能夠匹配此撿乒乓球機(jī)器人IMX8主板，并且能夠達(dá)到穩(wěn)定性能標(biāo)準(zhǔn)并且能夠做到應(yīng)用廣泛，最后經(jīng)研究決定選“思嵐RPLIDARA1”作為最終雷達(dá)。使用SLAM算法考慮到所設(shè)計(jì)的撿乒乓球環(huán)境是室內(nèi)搭建的簡單類型的場地，所以需要選取在小場景中計(jì)算量高、地圖精度高并且對(duì)激光雷達(dá)掃描頻率要求較低的SLAM算法，與此同時(shí)，對(duì)于此研究的乒乓球拾取場景，撿乒乓球機(jī)器人能夠穩(wěn)定工作十分關(guān)鍵，因?yàn)榇藱C(jī)器人后續(xù)需要應(yīng)用于機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)，所以選用gmapping這一經(jīng)典開源算法，結(jié)合機(jī)器人的底層操作以及雷達(dá)即可實(shí)現(xiàn)建圖功能。設(shè)計(jì)思路整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖6.2.1所示。對(duì)于撿乒乓球機(jī)器人的導(dǎo)航部分，撿乒乓球機(jī)器人需要執(zhí)行的動(dòng)作是根據(jù)在先前已構(gòu)建好的的2D地圖上，通過主體導(dǎo)航框架，在確定乒乓球的情況能夠讓機(jī)器人在乒乓球與乒乓球之間進(jìn)行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航，所以需要設(shè)計(jì)使用一種能夠匹配用于撿乒乓球機(jī)器人的系統(tǒng)的導(dǎo)航框架。因?yàn)榇舜芜x用ROS操作系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)選用功能性豐富的move_base包來作為撿乒乓球機(jī)器人的導(dǎo)航框架最為合適。并且，撿乒乓球機(jī)器人導(dǎo)航框架中的路徑規(guī)劃參數(shù)的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，需要讓其匹配撿乒乓球機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)信息，以便能夠使得撿乒乓球機(jī)器人在乒乓球之間更快、更精準(zhǔn)的導(dǎo)航，節(jié)省運(yùn)動(dòng)員的時(shí)間，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到將導(dǎo)航框架封裝起來，能夠使后續(xù)導(dǎo)航程序開啟更加簡便。圖6.2.1導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖傳感器系統(tǒng)PART03機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐