智能終端應用開發基礎 課件 第10章 機器人平臺技術與應用

第10章

機器人平臺技術與應用Contents01.機器人定義與組成02.激光雷達03.深度相機04.機器人教學平臺介紹05.運行機器人01機器人定義與組成機器人定義機器人是自動執行工作的機器裝置，可受人類指揮、運行預設程序或遵循AI原則行動，協助或取代人類工作，如生產、建筑及危險作業。機器人協會定義機器人為可編程序操作器，用于搬運材料、零件、工具，或通過改變程序動作完成各種作業的特殊機械裝置。科學家定義機器人為自動化機器，具有與人或生物相似的智能能力，如感知、規劃、動作和協同，是一種具有高級靈活性的自動化機器。國際標準組織描述機器人為動作機構似人或其他生物體，通用性強，工作多樣，動作程序靈活，具智能性如記憶、感知等，可獨立工作。數字化、云計算和AI技術進展推動機器人應用擴展，下一代機器人將涵蓋更廣泛概念，如無人駕駛汽車、智能家電等，都將會機器人化。機器人協會定義國際標準定義機器人定義展望科學家定義機器人定義控制系統控制系統基于處理器（如ARM、x86）實現任務處理、輸出控制命令，相當于人的大腦，完成算法、關節控制、人機交互等功能。傳感系統傳感系統包括內外兩部分，相當于人體感官和神經，內部包括里程計、陀螺儀等，外部包括攝像頭、紅外等環境檢測傳感器。驅動系統驅動系統驅動執行機構，轉換控制命令為執行機構信號，如直流電機用PWM驅動板，伺服需專業驅動器，工業常用氣壓液壓。執行機構執行機構是直接面向工作對象的機械裝置，相當于人體的手和腳。根據不同的工作對象，適用的執行機構也各不相同。機器人組成02激光雷達測距原理01激光雷達通過發射激光束并接收目標回波，對比發射與回波信號，經處理后獲取目標距離、方位、高度、速度、姿態及形狀等參數，實現探測、跟蹤和識別。三角測距法02三角測距法通過激光器和CCD接收器的配合，利用光學路徑和三角公式計算被測物體距離。隨著目標距離的變化，反射光在CCD上成像位置也不同。TOF飛行時間測距03TOF測距法通過記錄激光脈沖的發射和回返時間差，結合光速計算距離。該方法無需復雜運算，實時性高，適用于長距離測量，對環境光影響小。激光雷達簡介角度分辨率決定激光雷達一次完整掃描能返回多少個樣本點，直接影響其空間感知能力。樣本點越多，對環境的描繪越細致，能提供更多的空間信息。可視范圍是激光雷達完整掃描的廣角，定義了其有效探測和感知的范圍。范圍外為盲區，超出此區域的目標可能無法被雷達探測到，影響感知性能。掃描頻率反映激光雷達完成一次完整掃描的速度，通常在10Hz及以上。頻率越高，意味著雷達能更快獲取周圍環境信息，適用于需要實時響應的應用場景。測距分辨率衡量激光雷達在特定距離下的測距精確程度，通常與真實值相差5-20mm。該指標越高，表示雷達對距離變化的感知越敏感，定位能力越強。可視范圍掃描頻率角度分辨率測距分辨率激光雷達參數03深度相機深度相機應用：通過三維坐標還原真實場景，實現精準的場景建模和識別。在機器視覺、自動駕駛等前沿技術應用中發揮著不可或缺的作用，推動技術的持續發展。深度相機功能：普通彩色相機捕捉視角內物體，但不測量距離；深度相機則提供每個點到攝像頭的距離，結合2D坐標，可確定圖像中每點的三維空間坐標。深度相機簡介通過近紅外激光器投射結構光到物體上，紅外攝像頭采集反射光信息，運算單元處理結構變化得深度信息，構建三維結構，光源為不可見紅外激光。結構光深度相機雙目立體視覺通過左右相機捕捉圖像，計算視差獲取三維信息，成本低，室內外適用，但對環境光、紋理、計算復雜度高，且基線限制測量范圍。雙目立體視覺通過發射激光脈沖并檢測反射光相位偏移，計算目標物距離，檢測距離遠、受環境光干擾小，但對設備要求高、資源消耗大、邊緣精度低。TOF深度相機深度相機分類04機器人教學平臺介紹供電系統機器人采用專用電源板，支持多電壓輸出，為底盤、機械臂及傳感器模塊穩定供電，確保機器人高效、持續工作。接口擴展性通過USB接口連接激光雷達、高清相機等模塊，Nano主控配備USB3.0HUB，實現接口擴展，滿足多樣化傳感需求。控制器配置配備NvidiaJetsonNano作為ROS主控制器，底盤與機械臂擁有獨立控制器，實現高效協同作業，確保機器人運行流暢。模塊化設計Abot機器人采用模塊化設計理念，底盤與機械臂實現相對獨立，便于單獨控制與維護，提升了機器人的靈活性與擴展性。硬件框架

ROS控制器采用JetsonNano作為ROS節點控制器，運行Ubuntu18.04withJetPack系統，并安裝Melodic版本的ROS機器人操作系統。底盤控制器OpenCRP機器人運動控制器以STM32F103為核心，集成IMU傳感器，支持4路直流電機閉環控制，便于USB軟件升級。激光雷達塔克T1激光雷達經過優化，專為ROS機器人設計，具備高測量頻率和精度，適用于家庭、實驗室等環境，光磁融合供電通信。核心組件說明專用電源板提供12V、7.2V和5V電源輸出，滿足機器人不同模塊需求，方便用戶進行功能擴展與升級。電源接口機器人對激光雷達和機械臂的USB通訊與控制端口進行了綁定，確保數據通信的準確性和穩定性，提升整體運行效率。USB端口核心組件說明集成1080PRGB相機與深度感知功能，配備雙立體聲麥克風及高端ISP芯片，支持環境光調節，優化圖像質量，適合機器人視覺處理。深度相機機械臂末端配備1080P高清攝像頭，具備120°廣角與UVC免驅功能，支持語音識別，并配備云臺實現手動調節視角。攝像頭配備6自由度機械臂，采用高精度舵機與金屬齒輪傳動，結合進口雙滾珠軸承和CNC鋁合金中殼，確保長久穩定運行。機械臂核心組件說明05運行機器人ROS分布式協同01由于ROS具有分布式的特性，所以我們可以在多臺計算機上進行協同工作，前提是已經在計算機上配置好了環境變量ROS_MASTER_URI。ROS_MASTER_URI配置02ROS_MASTER_URI的值為運行ROSMASTER計算機的IP地址，必須將所有要協同工作的計算機的ROS_MASTER_URI設為相同的值。ROS_IP配置03除ROS_MASTER_URI外，還要配置環境變量ROS_IP為本機的IP地址，機器人的配置機器人上的環境變量默認已經配置完畢，配置都已寫入~/.bashrc文件中。配置環境變量ROS_IP自動檢測：此處ROS_IP的配置為自動檢測IP地址，并且將ROS_IP作為ROS_MASTER_URI，當用戶打開終端時，終端中會顯示配置好的環境變量。建議手動設置IP：建議將機器人的IP地址配置為手動（本例設置為192.168.31.101），這樣我們機器人的IP地址就不會每次都變化，我們的其他電腦也不需要再重新配置環境變量了。PC虛擬機配置：修改PC虛擬機的環境變量，修改的內容與機器人類似，我們需要做的就是把ROS_MASTER_URI修改為機器人的IP地址，~/.bashrc文件中的ROBOT_IP環境變量即為機器人IP。更新環境變量配置：執行下面的命令來更新我們的配置，，更新并應用環境變量更改，確保系統配置的一致性。配置環境變量Ssh遠程連接ssh遠程連接可以讓我們在終端中直接登陸上遠程機器的系統，輸入以下命令來連接到機器人（將IP地址替換為自己的地址），<table><tr><td>sshxtark@192.168.31.101</td></tr></table>。Ssh命令別名如果上一節的ROBOT_IP已經配置好，我們也可以使用一個ssh命令的別名來連接到機器人，此別名設置如下圖，首次連接會有如下提示，我們輸入yes并按回車繼續進行。Ssh登錄遠程機接下來ssh提示我們需要輸入遠程機器人的用戶密碼，我們輸入密碼（此機器人用戶名和密碼默認都是xtark）按下回車即可登錄到遠程機器，登錄后終端等同直接在機器人上執行。遠程連接機器人Ssh斷開連接想要從此終端斷開與遠程機器的連接，則只需要在終端中按下Ctrl+D即可斷開，Sssh遠程連接是控制遠程機器人系統的直接方式，允許在終端中直接輸入命令，這些命令會在機器人上執行。Vnc遠程桌面對于大多數應用場景來說是不方便的，如果我們需要用到ROS機器人的圖形界面時怎么辦呢？可以采用遠程桌面連接的方式進行遠程連接機器人的圖形界面。Vnc連接遠程機在Linux下內置的VNC服務是較為方便的，所以我們采用VNC協議進行連接，VNC遠程軟件，在Linux下我們采用Ubuntu內置的Remmina，在Windows下我們采用免費的VNCViewer。遠程連接機器人Vnc連接實例以VNCViewer為例，連接步驟如下圖，確保機器人與我們PC在同一局域網下且已經配置好IP即可開始連接，機器人VNC服務器登錄賬號為xtark，密碼為xtark。Vnc新建連接新建連接，輸入IP地址和VNC主機名稱(用戶自定義)，單擊OK按鈕，輸入機器人VNC密碼，點擊確定即可連接到機器人遠程桌面。遠程連接機器人ROS節點列表：在PC虛擬機上執行rosnodelist-a命令后，成功看到rosout節點以及運行此節點的主機地址為機器人的主機地址，證明我們已經配置好了ROS的環境變量。Ssh連機器人：首先我們用ssh連接到機器人，然后打開一個終端并運行roscore，如圖10-28所示roscore是ROS的根節點，它初始化并管理整個ROS系統。驗證配置要點三控制節點原理運行原理非常簡單，機器人內置了底盤驅動節點，存放在xtark_driver功能包中，節點名稱也叫xtark_driver，此節點通過訂閱話題，cmd_vel來獲取控制底盤移動的命令。要點一要點二控制底盤移動話題的消息類型為geometry/Twist，此消息類型為兩個三維向量，分別控制底盤的線速度和角速度，詳細內容如圖10-30所示。想要控制機器人移動，只需要向此話題發布Twist類型的消息即可。鍵盤控制節點robot內置了通過鍵盤來發布消息的節點，存放在xtark_ctl包中，名稱為xtark_twist_keyboard.py，此外這個功能包中還有一個launch文件，xtark_bringup_keyboard.launch。要點三鍵盤控制機器人移動鍵盤控制機器人移動Launch文件內容：可以幫我們集成啟動底盤驅動節點和鍵盤控制節點，此文件內容如圖10-31所示，我們只需要運行此launch文件即可用鍵盤