基于ROS操作系統(tǒng)的兩輪差速移動(dòng)機(jī)器人硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建案例分析1.1硬件平臺(tái)本文以移動(dòng)機(jī)器人的室內(nèi)應(yīng)用為背景，自主搭建了以ROS為操作系統(tǒng)的兩輪差速移動(dòng)機(jī)器人硬件平臺(tái)。硬件系統(tǒng)如圖2-1所示。包括CPU、伺服驅(qū)動(dòng)、電源模塊、激光雷達(dá)等傳感器。圖2-1硬件系統(tǒng)框圖1.1.1主控板NVIDIAJetsonTX2JetsonTX2是一款超級(jí)計(jì)算機(jī)模塊，主要用于人工智能。如圖2-2所示，該模塊采用NVIDIAPascal?架構(gòu)。不僅尺寸小巧，而且同時(shí)具備所有效能，適用于無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、可攜式醫(yī)療裝置以及智能型相機(jī)等智能型尖端裝置。除此之外，JetsonTX2在支持JetsonTX1模塊所有功能的基礎(chǔ)上，也適用于大型、復(fù)雜的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。主要參數(shù)見(jiàn)表2-1。圖2-2JetsonTX2開(kāi)發(fā)板表2-1TX2主要參數(shù)參數(shù)NVIDIAJetsonTX2CPU雙核心Denver264-bitCPU四核心ARM?A57ComplexGPU新一代NVIDIAPascal?架構(gòu)GPU內(nèi)存與儲(chǔ)存8GBL128bitDDR432GBeMMC5.1Flash網(wǎng)絡(luò)支持801.11acWLAN、藍(lán)牙1.1.2低壓伺服系統(tǒng)底層控制采用Kinco低壓伺服系統(tǒng)，如圖2-3所示。支持脈沖、模擬量控制；支持編碼器信號(hào)輸出，主從跟隨功能；支持Modbus、Canopen、EtherCAT通訊控制；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，擁有16位I/O接口；適用于物流設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等需要高響應(yīng)速度、高定位精度的場(chǎng)合。圖2-3Kinco低壓伺服系統(tǒng)1.1.3UTM-30LX激光雷達(dá)移動(dòng)機(jī)器人硬件平臺(tái)所搭載的激光雷達(dá)是北陽(yáng)的UTM-30LX，如圖2-4所示。其擁有30m，270°測(cè)量范圍，IP64防護(hù)等級(jí)，DC12V輸入，25ms掃描時(shí)間，可用于戶外。圖2-4UTM-30LX搭建完成的硬件平臺(tái)如圖2-5所示。圖2-5自主搭建的AGV小車1.2軟件平臺(tái)1.1.1ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS不是像Windows或Linux這樣的實(shí)際操作系統(tǒng)，而是用于機(jī)器人軟件的靈活通用框架。它的目標(biāo)是提高機(jī)器人研發(fā)中的軟件復(fù)用率，核心是為在單個(gè)計(jì)算機(jī)或異構(gòu)計(jì)算機(jī)群集上運(yùn)行的軟件模塊網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)等通信層[40]。在ROS框架中，進(jìn)行計(jì)算的軟件模塊稱為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)通過(guò)交換消息相互通信。消息的字段使用簡(jiǎn)單的界面定義和語(yǔ)言定義，并且它們可以包含基本數(shù)據(jù)類型，例如字符串，整數(shù)或數(shù)組或其他消息類型的組合。創(chuàng)建自定義消息類型也很容易。消息可以以發(fā)布者/訂閱者的方式以異步方式進(jìn)行交換，或者以同步模式作為客戶端/服務(wù)器模式下的服務(wù)進(jìn)行交換，如圖2-6所示。a.話題模型b.服務(wù)模型圖2-6ROS通信機(jī)制在發(fā)布者/訂閱者通信中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)（或多個(gè)節(jié)點(diǎn)）可以將消息（例如傳感器測(cè)量結(jié)果或數(shù)據(jù)處理結(jié)果）發(fā)布到字符串指定的主題。對(duì)此信息感興趣的節(jié)點(diǎn)可以訂閱該話題以接收消息。在客戶端/服務(wù)器通信中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)通告服務(wù)來(lái)充當(dāng)服務(wù)器，服務(wù)名稱可指定，并且對(duì)該服務(wù)感興趣的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)將其作為客戶端連接并發(fā)送具有兩組相似字段的服務(wù)調(diào)用來(lái)使用消息，一種用于請(qǐng)求，另一種用于響應(yīng)。在兩種通信模式下，ROS主節(jié)點(diǎn)都會(huì)跟蹤話題和服務(wù)以及相應(yīng)的發(fā)布者/訂閱者和客戶端/服務(wù)器，以通知節(jié)點(diǎn)它們需要在何處發(fā)送其信息。除了通信框架外，ROS及其隨附的社區(qū)還提供了許多工具和庫(kù)，使開(kāi)發(fā)人員可以專注于主要問(wèn)題而不是開(kāi)發(fā)支持軟件。常用工具包括可視化工具Rviz和錄制/播放工具rosbag。可視化工具Rviz使從點(diǎn)云到軌跡的許多消息類型的可視化變得容易，而錄制/播放工具rosbag使人們能夠記錄感興趣的話題消息以供以后使用。轉(zhuǎn)換庫(kù)tf[41]是ROS框架的重要組成部分，因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人通常具有各種坐標(biāo)系（用于傳感器，工具和機(jī)器人本身），需要在它們之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。tf庫(kù)偵聽(tīng)包含來(lái)自所有節(jié)點(diǎn)的不同坐標(biāo)框架之間的轉(zhuǎn)換的消息，并形成框架的樹(shù)結(jié)構(gòu)以便于遍歷，如圖2-7所示。tf節(jié)點(diǎn)還會(huì)在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)保留兩個(gè)幀之間每個(gè)轉(zhuǎn)換的歷史記錄。然后，節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻從tf節(jié)點(diǎn)查詢?nèi)我鈨蓭g的轉(zhuǎn)換。圖2-7機(jī)器人中的tf變換1.1.2軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要由節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)發(fā)布和訂閱的消息組成，如圖2-8所示。圖2-8軟件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖圖2-8中，橢圓框表示節(jié)點(diǎn)，矩形框表示節(jié)點(diǎn)發(fā)布或訂閱的消息，取決于箭頭的指向。該軟件系統(tǒng)主要由節(jié)點(diǎn)/hector_mapping和節(jié)點(diǎn)/rplidar_node組成，節(jié)點(diǎn)/hector_mapping訂閱激光雷達(dá)消息/sc