共頁(yè)第28頁(yè)智能小車(chē)的循跡實(shí)驗(yàn)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23069智能小車(chē)的循跡實(shí)驗(yàn)分析案例 1179151.1車(chē)輛的軟硬件平臺(tái) 1127411.1.1硬件方面 1173831.1.2軟件方面 486871.2循跡結(jié)果 51.1車(chē)輛的軟硬件平臺(tái)1.1.1硬件方面本文搭建的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)是兩輪差分模型的機(jī)器人，實(shí)物如圖5-1所示。機(jī)器人的硬件采用樹(shù)莓派和運(yùn)動(dòng)控制器框架，硬件組成框圖參考如圖5-2。圖5-1小車(chē)實(shí)物圖圖5-2硬件組成框圖 控制器選用樹(shù)莓派4B，運(yùn)行Ubuntu系統(tǒng)，并安裝有ROS（RobotOperatingSystem）操作系統(tǒng)作為機(jī)器人ROS節(jié)點(diǎn)控制器。運(yùn)動(dòng)模塊1.直流電機(jī)小車(chē)配備的是直流有刷電機(jī)，有刷直流電機(jī)是直流電機(jī)的一種，其定子帶有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子帶有電樞繞組和轉(zhuǎn)向器。直流電經(jīng)過(guò)過(guò)電刷和轉(zhuǎn)換器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生了電樞電流，主磁場(chǎng)又與電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動(dòng)負(fù)載工作。由于電刷和轉(zhuǎn)換器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用壽命相對(duì)較短。直流電機(jī)在使用時(shí)必須配有驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)﹄姍C(jī)的電流進(jìn)行高精度的控制，在成熟的運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域當(dāng)中，要想直流有刷電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，必需要對(duì)電機(jī)做電流、速度PID雙閉環(huán)控制。2.編碼器信號(hào)或數(shù)據(jù)需要通過(guò)編碼器進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換才能成為用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式。編碼器將線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者被稱(chēng)為碼尺，后者稱(chēng)為碼盤(pán)。根據(jù)讀出方式的不同，編碼器可分為接觸式和非接觸式兩種；按工作原理可分為增量式與絕對(duì)式兩類(lèi)。增量式編碼器是將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為周期性電信號(hào)，然后將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖數(shù)來(lái)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的數(shù)字編碼，所以它的指示只與測(cè)量的起始位置和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。本設(shè)計(jì)采用的編碼器類(lèi)型為增量式，編碼器從機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻累計(jì)里程，累計(jì)的里程能夠轉(zhuǎn)化為m/s、rad/s等統(tǒng)一的單位。增量型在旋轉(zhuǎn)過(guò)單位個(gè)角度便會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，通常是A、B、Z三個(gè)相位，A相位和B相位之間會(huì)延遲1/4周期輸出。根據(jù)延遲關(guān)系，可以區(qū)分正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)；通過(guò)取A相和B相的上升和下降邊沿，可以得到2倍或4倍的頻率；Z相位是一個(gè)單環(huán)脈沖，也就是每圈發(fā)出一個(gè)周期脈沖。3.IMU姿態(tài)傳感器慣性測(cè)量單元（IMU）是一種測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的儀器。一般來(lái)說(shuō)，IMU包含了3個(gè)單軸的加速度計(jì)和3個(gè)單軸的陀螺儀，加速度計(jì)用于檢測(cè)物體在坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的重力加速度信號(hào)，陀螺儀則用于檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度，并計(jì)算物體的姿態(tài)。三軸地磁結(jié)合三軸加速度計(jì)的使用受外力加速度的影響很大，在運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的環(huán)境中，輸出方向角誤差很大，加上地磁傳感器存在的缺點(diǎn)，其絕對(duì)參考對(duì)象是地磁場(chǎng)的磁力線，地磁的應(yīng)用范圍廣，但是強(qiáng)度低，約為零點(diǎn)幾高斯，非常容易受到其它磁體的干擾，為使系統(tǒng)數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定，則需要融合Z軸陀螺儀的瞬時(shí)角度。加速度的測(cè)量在重力方向，若沒(méi)有其他外力加速，能夠準(zhǔn)確輸出翻滾角和俯仰角兩軸姿態(tài)角度，在次角度沒(méi)有任何累積誤差，能夠保證在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上都是準(zhǔn)確的。加速度計(jì)實(shí)際上是用MEMS技術(shù)來(lái)檢測(cè)慣性力引起的微小形變，慣性力本質(zhì)與重力相同，因此加速度計(jì)不能區(qū)分重力加速度和外力造成的加速度。在三維空間中，當(dāng)系統(tǒng)做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出就開(kāi)始產(chǎn)生誤差，這也是加速度計(jì)測(cè)量的缺點(diǎn)。陀螺輸出角速度是瞬時(shí)的，角速度不能直接用于姿態(tài)平衡，需要角速度積分和時(shí)間積分來(lái)計(jì)算角度，所得到的角度變化加在初始角度上得到目標(biāo)角度，積分時(shí)間dt越小，輸出角度越精確，但陀螺的原理決定了其測(cè)量基準(zhǔn)是自身的，系統(tǒng)外沒(méi)有絕對(duì)基準(zhǔn)，dt不可能無(wú)窮小，因此積分累積誤差隨時(shí)間迅速增加，輸出角度與實(shí)際情況不一致，所以陀螺只能在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)工作。因此對(duì)于加速度計(jì)和陀螺儀的動(dòng)靜態(tài)的不同，我們可以用上文所介紹的擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行姿態(tài)融合。本設(shè)計(jì)使用了MPU9250，在芯片內(nèi)含有三個(gè)單軸加速度計(jì)以及三個(gè)單軸陀螺儀。1.1.2軟件方面ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，由斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室和WillowGarage公司合作開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)放源代碼的機(jī)器人元操作系統(tǒng)，ROS是一款機(jī)器人軟件平臺(tái)，專(zhuān)門(mén)為機(jī)器人開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序提供了各種開(kāi)發(fā)環(huán)境。ROS是一種分布式的進(jìn)程框架，它以可執(zhí)行進(jìn)程的最小單位（節(jié)點(diǎn)：Node）的形式進(jìn)行編程，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)立運(yùn)行，并有機(jī)地收發(fā)數(shù)據(jù)；由于它以功能包的形式分組，便于機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中的代碼復(fù)用，使得各個(gè)程序很容易共享、修改和重新發(fā)布。如圖5-3所示，計(jì)算圖是由ROS處理數(shù)據(jù)組成的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)形式，在運(yùn)行程序時(shí)，進(jìn)程和他們的數(shù)據(jù)處理會(huì)通過(guò)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)管理器、主題、服務(wù)等表現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)是一個(gè)可執(zhí)行程序，是執(zhí)行計(jì)算的過(guò)程，一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)由大量的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成；節(jié)點(diǎn)管理器提供了節(jié)點(diǎn)間的通信；消息是節(jié)點(diǎn)間發(fā)布或者訂閱的數(shù)據(jù)；主題則是消息的載體，一個(gè)節(jié)點(diǎn)將消息發(fā)送至一個(gè)給定的主題來(lái)發(fā)布消息，而另一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)訂閱主題來(lái)獲取該信息；服務(wù)也是一種消息傳遞的形式，一個(gè)請(qǐng)求信息，另一個(gè)進(jìn)行回應(yīng)，是成對(duì)出現(xiàn)的。圖5-3ROS計(jì)算圖級(jí)概念本文的ROS搭建在官方推薦的Ubuntu16.04版操作系統(tǒng)，功能包以及程序等均來(lái)自ROS官方提供以及ROS開(kāi)源社區(qū)的分享。主要有IMU包、CSI攝像頭包、EKF包、QT工具箱包等功能包。1.2循跡結(jié)果打開(kāi)小車(chē)的開(kāi)關(guān)，小車(chē)指示燈亮起，樹(shù)莓派綠燈閃爍；大約20s后激光雷達(dá)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)小車(chē)發(fā)出熱點(diǎn)；電腦連上小車(chē)發(fā)出的熱點(diǎn)后再虛擬機(jī)打開(kāi)終端輸入“sshpi@10.42.0.1”通過(guò)ssh命令連接小車(chē)（小車(chē)的IP為10.42.0.1）使用機(jī)器人時(shí)養(yǎng)成良好的習(xí)慣首先進(jìn)行時(shí)間同步，通過(guò)“date”命令查看小車(chē)和虛擬機(jī)的時(shí)間，如果不一致，則使用“sudontp<虛擬機(jī)IP>”，如圖5-4所示，最上方的UbuntuIP即為虛擬機(jī)的IP。完成時(shí)間同步后便可開(kāi)始對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作了。圖5-4終端顯示數(shù)據(jù)小車(chē)采用基于攝像頭的循跡行駛功能，默認(rèn)為紅線，路徑顏色可以通過(guò)修改launch文件的參數(shù)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試前先將小車(chē)放置于測(cè)試場(chǎng)地，讓攝像頭看到紅線，并以逆時(shí)針?lè)较蚍胖迷诼肪€上。虛擬機(jī)終端運(yùn)行循跡程序，小車(chē)即可開(kāi)始沿路線行駛。$roslaunchline_followerline_follower.launch再新建一個(gè)終端，在虛擬機(jī)端運(yùn)行rqt_image_view軟件，選擇“/output話(huà)題即可看到機(jī)器人攝像頭圖像，并看到標(biāo)定的紅線圖標(biāo),如圖5-6。$roslaunchrqt_image_viewrqt_image_view圖5-5循跡輸出話(huà)題訂閱攝像頭的顏色是基于HSV顏色空間設(shè)定的，這是一種通過(guò)把RBG顏色空間中的點(diǎn)放置在一個(gè)倒立的圓錐體中來(lái)表達(dá)的方式。HSV的三個(gè)字母分別對(duì)應(yīng)色相、飽和度、明度，又被稱(chēng)為HSB。色相（H）指的是顏色的基本屬性，即平常生活當(dāng)中所說(shuō)的顏色的名稱(chēng)，如藍(lán)色、黃色等；飽和度（S）指的是色彩的純度，以0-100%的數(shù)值來(lái)表示，飽和度越高色彩就越純，越低則會(huì)趨向于灰；而明度（V）的數(shù)值會(huì)取0-max。其中，HSV在計(jì)算機(jī)中的取值范圍與其存儲(chǔ)的長(zhǎng)度有關(guān)。在倒圓錐體模型的頂點(diǎn)處，V=0，H和S都無(wú)定義，表示的顏色為黑色；在圓錐體的底面中點(diǎn)處，V=max，S=0，H沒(méi)有定義的，代表白色。在設(shè)定我們所需要的循跡路線顏色時(shí)，先將小車(chē)輪胎懸空，避免機(jī)器人亂跑。設(shè)定方法如下：首先同樣先連接機(jī)器人，運(yùn)行循跡程序,并在另一個(gè)終端中使用rqt_image_view軟件查看攝像頭圖像輸出。$roslaunchline_followerline_follower.launch$roslaunchrqt_image_viewrqt_image_view然后再新建一個(gè)終端，運(yùn)行“rqt_reconfigure”工具，可以動(dòng)態(tài)調(diào)循跡路線的顏色參數(shù)，如圖5-6所示。H、S、V每個(gè)參數(shù)都具有上下兩個(gè)閾值，需逐步調(diào)試縮小區(qū)間范圍提高識(shí)別精度。最后調(diào)整完成后，打開(kāi)“l(fā)ine_follower.launch”文件修改參數(shù)值，修改完成后保存，下次的啟動(dòng)循跡程序后即為該顏色的循跡。圖5-6HSV上下限數(shù)值調(diào)整面板當(dāng)小車(chē)運(yùn)行循跡程序時(shí)，通過(guò)“rosbagrecord”記錄小車(chē)發(fā)出的數(shù)據(jù)，使用“plotjuggler”工具讀取生成的數(shù)據(jù)并作出輸出圖像，得到以下四組圖。圖5-7角速度及其EKF濾波輸出圖5-8參考角速度及其響應(yīng)圖5-9線速度及其EKF輸出圖5-10參考線速度及其響應(yīng)開(kāi)始開(kāi)始初始化變量添加邊界并選擇最大面積的輪廓路線的質(zhì)心檢測(cè)輸出dir的值返回輸出攝像頭圖像否是檢測(cè)HSV范圍內(nèi)是否有對(duì)象圖5-11循跡流程圖循跡程序的流程圖如圖5-11所示。對(duì)于輸出的dir值：當(dāng)檢測(cè)HSV范圍內(nèi)不存在對(duì)象時(shí)，dir輸出的值為3；當(dāng)檢測(cè)到對(duì)象時(shí)則會(huì)向下進(jìn)一步檢測(cè)路線的質(zhì)心相對(duì)于圖像的中心的關(guān)系，若質(zhì)心在圖像中心并減去容忍差值后的左側(cè)，dir輸出的值為0；若質(zhì)心在圖像中心并加上容忍差值后的右側(cè)，dir輸