CN107450556A - 一种基于ros的自主导航智能轮椅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ROS的自主导航智能轮椅，属于机器人领域，包括单片机下位机系统、ROS上位机系统和机器人硬件平台三部分。所述的单片机下位机系统部分包括单片机、编码器、超声波距离传感器、加速度计陀螺仪、电子罗盘、电机及驱动等模块，所述的ROS上位机系统包括运行ROS的工控机、Kinect摄像头、手柄、手机app。所述的工控主机与单片机之间通过USB线连接。本发明专利是基于ROS的机器人自主导航系统，通过工控主机完成交互操作、路径规划、导航的功能，通过下位机控制机器人（轮椅）移动并可及时避障，提高了机器人（轮椅）的响应速度并可完成定位导航。

Description

一种基于ROS的自主导航智能轮椅
技术领域
本发明属于机器人技术，涉及一种基于ROS的自主导航智能轮椅，可以实现自主定位导航和自动避障的功能。
背景技术
自机器人诞生以来，机器人技术获得了长足的进步和发展，它涉及到计算机、机械、自动控制和传感器技术等领域，这些相关学科的发展促进了机器人的进步。自主移动机器人，它通过传感器实时监检测环境信息，然后采用一定的方法分析处理传感器信息并做出运动决策，从而达到预定的位置。
ROS是专门为机器人设计的软件平台，提供了丰富的机器人服务框架，例如硬件抽象、底层设备控制，进程间消息传递以及数据包的管理，利用ROS进行机器人开发，可以降低开发难度，快速实现机器人的功能。
目前，电动轮椅大部分采用手动控制，其功能单一，对于操作人员来说要求较高，需要时刻观察环境情况，将自主导航系统与电动轮椅相结合，制造出智能轮椅 ，也是轮椅发展的趋势。
发明内容
基于ROS的机器人自主导航系统，其特征在于，包括：包括单片机下位机系统、ROS上位机系统和机器人硬件平台三部分。
所述的单片机下位机系统部分包括单片机、编码器、超声波距离传感器、加速度计陀螺仪、电子罗盘、电机及驱动等模块，如图1所示。
所述的ROS上位机系统包括运行ROS的工控机、Kinect摄像头、手柄、手机app。
所述的工控主机与单片机之间通过USB线连接。
所述的单片机为Tivac Series TM4C123GXL LaunchPad处理器，单片机资源有80MHz 32bit ARM、8 UART、6 I2C、4 SPI。
所述的下位机系统通过采集编码器数据和陀螺仪加速度计（MPU6050）以及电子罗盘(HMC5883)的信息，采用卡尔曼滤波算法，获取机器人的里程信息，从而确定机器人的位置。
所述的超声波距离传感器（HC-SR04），布置在机器人的周围，当机器人运动时，首先检测超声波距离传感器的距离，当距离小于10cm时，机器人停止运动。所述的下位机的控制过程为下位机系统初始化，从上位机更新参数，接收上位机发送的速度指令，执行超声波避障程序，执行速度命令 ，更新IMU数据，上传传感器数据；在中断1中，更新编码器数据，在终端2中，获取超声波距离传感器数据。所述的超声波避障算法主要功能为当检测到移动方向上有障碍物时，禁止该方向上的障碍物，避免撞上障碍物。
所述工控主机采用intel i7处理器，配置128G固态硬盘、8G内存、ubutnu系统，满足多数据处理的要求。
所述的Kinect摄像头，用来获取环境信息，建立导航地图。Kinect摄像头彩色摄像头最大支持1280*960分辨率成像，红外摄像头最大支持640*480成像，Kinect摄像头的最佳测量范围为0.5-3m，视角水平57°。
所述的手柄直接连接到工控主机上，通过控制手柄来移动机器人，使操作更加人性化。
所述的上位机系统，通过Kinect来获取RGB-D图像，通过对图像处理获取点云信息，利用点云建立地图，利用AMCL算法进行导航。在工控机连接屏幕上选取目标点，机器人可以自动到达指定目标点；在手动状态下，可以通过手柄控制，移动机器人到制定位置；在自动导航和手动控制情况下，超声波传感器检测到障碍物时，都立即停止运动。
所述的下位机系统与上位机系统之间通过串口进行通讯，下传。
所述的机器人硬件平台采用双轮驱动的四轮移动平台，通过单片机下位机系统进行控制。采用此平台的目的，便于将其移置到轮椅中。
本发明的有益效果：所述的基于ROS的机器人自主导航系统属于机器人领域，具有自主导航的功能；所述的超声波距离传感器连接在单片机上，实时性高，当遇到障碍物时可以迅速停止，避免发生碰撞；所述的Kinect摄像头可以采集三维图像信息，建立三位地图，环境信息获取多，可以更好的完成导航；所述的手柄可以移动机器人，可以自由控制机器人，方便移动；所述的手机app，可以以无线的方式遥控机器人进行移动，方便远程操控。
附图说明
图1机器人控制系统硬件连接图。
图2机器人下位机控制图。
具体实施方式
所述的基于ROS的机器人自主导航系统，包括：包括单片机下位机系统、ROS上位机系统和机器人硬件平台三部分。
所述的单片机下位机系统部分包括单片机、编码器、超声波距离传感器、加速度计陀螺仪、电子罗盘、电机及驱动等模块。
单片机通过USB串口与工控主机进行连接，机器人硬件平台与单片机之间通过RS-232串口进行连接，下传协议采用标准的速度包协议geometry_msgs/Twist，上传协议为自定义协议，内容包括里程信息，陀螺仪编码器数据信息，电子罗盘数据信息，超声波距离信息，电池电量信息，运行状态等信息。
单片机通过I22C接口与陀螺仪加速度计以及电子罗盘连接，通过IO口与编码器进行连接，获取里程信息，采用卡尔曼滤波算法，来准确结算出位姿信息。
单片机通过IO与超声波距离传感器相连接，来获取机器人周围近距离的环境信息，可以实现自动紧急避障。
工控主机与Kinect摄像头通过USB进行连接，并且Kinect摄像头连接的USB为3.0接口，获取周围环境的RGB-D信息，为建立地图和导航提供丰富的环境信息。
手柄与工控主机通过USB连接，通过手柄来移动机器人移动。
手机app通过wifi与工控主机相连，通过无线控制的方法来移动机器人，控制方式更加方便灵活。

Claims (7)

1.一种基于ROS的自主导航智能轮椅，括单片机下位机系统、ROS上位机系统和机器人硬件平台三部分，其特征在于：所述的基于ROS的自主导航智能轮椅属于机器人领域，具有主导航的功能，器人自主导航系统与电动轮椅相结合，提高电动轮椅的自主避障和导航功能，提高轮椅的智能型和安全性。
2.根据权利1所述的单片机下位机系统部分，其特征在于：单片机下位机系统包括单片机、编码器、超声波距离传感器、加速度计陀螺仪、电子罗盘、电机及驱动等模块。
3.根据权利2所述的超声波距离传感器，其特征在于：超声波距离传感器连接在单片机上，实时性高，当遇到障碍物时可以迅速停止，避免发生碰撞。
4.根据权利1所述的ROS上位机系统，其特征在于：ROS上位机系统包括包括运行ROS的工控机、Kinect摄像头、手柄、手机app。
5.根据权利4所述的Kinect摄像头，其特征在于：Kinect摄像头可以采集三维图像信息，建立三位地图，环境信息获取多，可以更好的完成导航。
6.根据权利4所述的手柄，其特征在于：手柄可以自由控制轮椅，方便移动。
7.根据权利4所述的手机app，其特征在于：手机app，可以以无线的方式遥控轮椅进行移动，方便远程操控。
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