第7章智能機器人系統(tǒng)設(shè)計目錄contents智能機器人系統(tǒng)組成智能機器人系統(tǒng)搭建智能機器人傳感器智能機器人系統(tǒng)組成01CATALOGUE系統(tǒng)組成按照智能機器人組成部分的功能劃分，智能機器人可分為機械、傳感、控制三大部分，這三大部分可進一步細分為驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)系統(tǒng)組成底盤機械結(jié)構(gòu)：主體使用亞克力板拼裝，由兩個直流電機帶動主動輪以及保持平衡的一個萬向輪實現(xiàn)機器人行走。驅(qū)動系統(tǒng)：電池、Arduinomega2560以及電機驅(qū)動模塊；控制系統(tǒng)：樹莓派4B；傳感系統(tǒng)：編碼器、單線激光雷達、相機；其中，執(zhí)行機構(gòu)與驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成了智能機器人底盤，激光雷達和相機用于實現(xiàn)機器人—環(huán)境交互功能。硬件清單智能機器人系統(tǒng)搭建02CATALOGUE環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。樹莓派4B上位機機器人運動控制、底層傳感器輸入。ArduinoMega2560/Nano下位機智能機器人硬件架構(gòu)安裝Ubuntu系統(tǒng)和ROS系統(tǒng)上位機串口通信下位機上位機-下位機通訊方案ros_arduino_bridge下面不屬于Arduino控制器的是（）NanoUnoStm32Mega2560ABCD提交單選題1分霍爾直流減速電機執(zhí)行機構(gòu)方案電機支撐架兩輪差速方式進行驅(qū)動編碼器計數(shù)原理執(zhí)行機構(gòu)方案霍爾編碼器光電編碼器編碼器計數(shù)原理執(zhí)行機構(gòu)方案智能機器人輪胎（直徑65mm）執(zhí)行機構(gòu)方案智能機器人設(shè)計過程中，如果要求小車的位置控制較高，一般選用（）霍爾編碼器光電編碼器不采用編碼器ABC提交單選題1分Mega2560驅(qū)動系統(tǒng)方案2560擴展板電源子系統(tǒng)電源供電系統(tǒng)方案智能機器人的動力來源于電力，一般使用電池作為動力，為機器人的執(zhí)行機構(gòu)、傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)提供電能。但是機器人搭載的這些系統(tǒng)的電源電壓要求不同，有些需要12V電源、有些需要5V電源，為保證機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還要針對電源做保護、濾波等處理。電源子系統(tǒng)就是為整個機器人提供穩(wěn)定的電源需求，常用的電源管理芯片主要為LM2596系列。電池：4節(jié)2600Mah18650鋰電池（左）；電池盒：4節(jié)18650電池盒（左）；樹莓派電源：12V-5V降壓模塊（右）；驅(qū)動系統(tǒng)方案驅(qū)動芯片直流電機旋轉(zhuǎn)方式IN1IN2IN3IN4調(diào)速PWM信號ENAENBM1正轉(zhuǎn)高低//高/反轉(zhuǎn)低高//高/停止低低//高/M2正轉(zhuǎn)//高低/高反轉(zhuǎn)//低高/高停止//低低/高直流電機的控制可以分為兩個部分，第一部分是與電機直接相連的電機驅(qū)動模塊，可以將上層下達的控制信號轉(zhuǎn)換成電機需要的電源信號；第二部分是電機控制模塊，接收控制系統(tǒng)的運動指令，實現(xiàn)對電機的閉環(huán)驅(qū)動控制。對于機器人常采用的直流電機驅(qū)動模塊主要有L298N、TB6612、A4950T等上位機控制系統(tǒng)方案智能機器人選擇樹莓派4B作為上位機平臺，在樹莓派中搭載Ubuntu系統(tǒng)和運行ROS。樹莓派主要實現(xiàn)與智能機器人底控板Arduino的相互通信、外部傳感器（攝像頭、激光雷達等）的數(shù)據(jù)采集、其它外設(shè)連接等控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，PC端運行需要圖形化顯示及高性能處理的上層ROS功能包（圖像處理、SLAM、導(dǎo)航等）。遠程通訊及控制方案為方便后續(xù)開發(fā)，需要使用遠程連接方式訪問樹莓派，樹莓派可以使用的遠程連接方式有很多，如SSH，VNC，Nomachine等。Nomachine下載地址為/Windows端界面無線手柄無線手柄可以連接NVIDIAJetson、樹莓派、PC等設(shè)備，相比鍵盤操作更加靈活，方便機器人控制、建圖、采集數(shù)據(jù)等操作，本節(jié)介紹亞博智能公司的一款ROS無線手柄的使用方法常用的直流電機驅(qū)動芯片有（）TB6612A4950TL298NNSD8389ABCD提交多選題2分智能機器人傳感器03CATALOGUE傳感系統(tǒng)—激光雷達激光雷達是現(xiàn)今機器人尤其是無人車領(lǐng)域最重要、最關(guān)鍵也是最常見的傳感器之一，是機器人感知外界的一種重要手段。思嵐A1激光雷達傳感系統(tǒng)—相機相機是機器人系統(tǒng)中另一個比較重要的傳感器，與雷達類似，相機也是機器人感知外界環(huán)境的重要手段之一，并且隨著機器視覺、無人駕駛等技術(shù)的興起，相機在物體識別、行為識別、SLAM中等都有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)工作原理的差異可以將相機大致劃分成三類：單目相機、雙目相機與深度相機。傳感系統(tǒng)—IMU（陀螺儀模塊）

IMU全稱為慣性測量單元，可以通過測量物體在三維空間內(nèi)的加速度和角速度，來獲取物體的運動姿態(tài)和位置信息。IMU模塊通常由三個部分組成：加速度計、陀螺儀和磁力計。這些傳感器可以通過處理器進行數(shù)據(jù)處理和濾波，從而獲得更加準確的數(shù)據(jù)。傳感系統(tǒng)—超聲波傳感器超聲波傳感器是一種利用超聲波來檢測物體位置、距離或速度的傳感設(shè)備。其工作原理是發(fā)射高頻聲波（通常超過20kHz），然后接收反射回來的聲波。根據(jù)聲波傳播的時間差或頻率變化，可以計算出目標物體的距離、位置或移動速度。常用激光雷達一般不使用的線束為（）121632ABCD提交單選題1分智能機器人開發(fā)過程中，一般不需要的硬件為（）單片機驅(qū)動芯片逆變器馬達ABCD提交單選題1分THANKS感謝觀看第8章智能機器人SLAM與自主導(dǎo)航目錄contentsSLAM原理簡介常用二維SLAM功能包的使用方法Navigation導(dǎo)航框架自主導(dǎo)航案例SLAM原理簡介01CATALOGUESLAM原理簡介SLAM，全稱simultaneouslocalizationandmapping，即時定位與地圖構(gòu)建。即機器人自身位置不確定的情況下，在完全未知的環(huán)境中創(chuàng)建地圖，同時利用地圖進行自主定位和導(dǎo)航。定位，在地圖上估測機器人的位置坐標，或者用一個問題來表示：我在哪?地圖構(gòu)建，這一過程是根據(jù)傳感器的結(jié)果來構(gòu)建一張地圖或者是修正當前地圖，同時將結(jié)果提供給定位算法作為先驗地圖。SLAM原理簡介SLAM原理簡介機器人必須安裝激光雷達等測距設(shè)備，可以獲取環(huán)境深度信息SLAM原理簡介angle_min:

可檢測范圍的起始角度；angle_max:可檢測范圍的終止角度，與angle_min組成激光雷達的可檢測范圍；angle_increment:相鄰數(shù)據(jù)幀之間的角度步長；time_increment:采集到相鄰數(shù)據(jù)幀之間的時間步長，當傳感器處于相對運動狀態(tài)時進行補償使用；scan_time:采集一幀數(shù)據(jù)所需要的時間；range_min:

最近可檢測深度的閾值；range_max:

最遠可檢測深度的閾值；ranges:一幀深度數(shù)據(jù)的存儲數(shù)組。SLAM原理簡介pose:機器人當前位置坐標，包括機器人的XYZ三軸位置與方向參數(shù)，以及用于校正誤差的協(xié)方差矩陣。twist:機器人當前的運動狀態(tài)，包括XYZ三軸的線速度與角速度，以及用于校正誤差的協(xié)方差矩陣。常用二維SLAM功能包的使用方法02CATALOGUE常用二維SLAM功能包及使用方法gmapping功能包的總體框架gmapping功能包基于激光雷達Rao-Blackwellized粒子濾波算法二維柵格地圖需要機器人提供里程計信息OpenSlam開源算法輸出地圖話題：nav_msgs/OccupancyGrid。常用二維SLAM功能包及使用方法gmapping功能包中的TF變換安裝gmappingsudoapt-getinstallros-noetic-gmapping常用二維SLAM功能包及使用方法常用二維SLAM功能包及使用方法啟動gmapping演示roslaunchmybot_gazeboview_mybot_with_laser_gazebo.launchroslaunchmybot_navigationgmapping_demo.launchroslaunchmybot_teleopmybot_teleop.launch常用二維SLAM功能包及使用方法hector_slam功能包的總體框架hector_slam功能包基于激光雷達高斯牛頓方法二維柵格地圖不需要里程計數(shù)據(jù)輸出地圖話題：nav_msgs/OccupancyGrid常用二維SLAM功能包及使用方法hector功能包中的TF變換安裝hector_slamgitclone/tu-darmstadt-ros-pkg/hector_slam.git下面不屬于二維SLAM的是（）gmappinghectorrtabmapcartographerABCD提交單選題1分Navigation導(dǎo)航框架03CATALOGUENavigation導(dǎo)航框架

Navigation是機器人最基本的功能之一，ROS為機器人提供了一整套導(dǎo)航的解決方案，包括全局與局部路徑規(guī)劃、代價地圖、異常行為恢復(fù)和地圖服務(wù)器等。Navigation導(dǎo)航框架

Navigation的輸入是開發(fā)者設(shè)置的導(dǎo)航目標點坐標，輸出是機器人的運動控制指令。ROS中的導(dǎo)航功能框架導(dǎo)航框架中的關(guān)鍵功能包

Navigation的輸入是開發(fā)者設(shè)置的導(dǎo)航目標點坐標，輸出是機器人的運動控制指令。全局路徑規(guī)劃(globalplanner)1）全局最優(yōu)路徑規(guī)劃2）Dijkstra或A*算法本地實時規(guī)劃(localplanner)1）規(guī)劃機器人每個周期內(nèi)的線速度、角速度，使之盡量符合全局最優(yōu)路徑。2）實時避障3）TrajectoryRollout和DynamicWindowApproaches算法4）搜索躲避和行進的多條路經(jīng)，綜合各評價標準選取最優(yōu)路徑導(dǎo)航框架中的關(guān)鍵功能包什么是動作(action)

一種問答通信機制；

帶有連續(xù)反饋；

可以在任務(wù)過程中止運行；

基于ROS的消息機制實現(xiàn)。Action的接口goal:發(fā)布任務(wù)目標；cancel:請求取消任務(wù)；status:通知客戶端當前的狀態(tài)；feedback:周期反饋任務(wù)運行的監(jiān)控數(shù)據(jù)；result:向客戶端發(fā)送任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果，只發(fā)布一次。導(dǎo)航框架中的關(guān)鍵功能包move_base功能包中的話題和服務(wù)導(dǎo)航框架中的關(guān)鍵功能包配置move_base節(jié)點mbot_navigation/launch/move_base.launch導(dǎo)航框架中的關(guān)鍵功能包1）蒙特卡羅定位方法2）二維環(huán)境定位3）針對已有地圖使用粒子濾波器跟蹤一個機器人的姿態(tài)AMCL功能包中的話題和服務(wù)名稱類型描述訂閱的話題/scansensor_msgs/LaserScan激光雷達數(shù)據(jù)/tftf/tfMessage坐標變換/initialposegeometry_msgs/PoseWithCovarianceStamped初始化粒子濾波器的均值和協(xié)方差/mapnav_msgs/OccupancyGrid地圖信息發(fā)布的話題/amcl_posegeometry_msgs/PoseWithCovarianceStamped機器人再地圖中的位姿估計/particlecloudpointgeometry_msgs/PoseArray濾波器估計的位置/tftf/tfMessage發(fā)布從odom到map的轉(zhuǎn)換關(guān)系服務(wù)global_localizationstd_srvs/Empty初始化全局定位，所有粒子完全隨機發(fā)布在地圖上的空閑區(qū)域request_nomotion_updatestd_srvs/Empty手動更新粒子并發(fā)布更新后的粒子服務(wù)調(diào)用static_mapnav_msgs/GetMapamcl調(diào)用此服務(wù)接收地圖，用以基于激光掃描的定位導(dǎo)航框架中的關(guān)鍵功能包1）里程計定位：只通過里程計的數(shù)據(jù)來處理/base和/odom之間的TF轉(zhuǎn)換；2）amcl定位：可以估算機器人在地圖坐標系/map下的位姿信息，提供/base、/odom、/map之間的TF變換。AMCL修正誤差流程導(dǎo)航框架中的關(guān)鍵功能包配置