CN109571485A - 基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统及控制方法，涉及机器人控制领域，包括：硬件结构和软件系统；硬件结构包括树莓派、驱动板、传感器和执行机构，驱动板包括电源模块、MCU模块、驱动模块和USB模块；软件系统包括ROS和SQLite；树莓派安装Ubuntu系统，在Ubuntu系统中安装ROS和SQLite；树莓派与驱动板上的MCU模块通过USB模块连接，MCU模块处理树莓派的控制决策；传感器与树莓派连接；驱动模块根据MCU模块的驱动信号驱动执行机构运作；电源模块为驱动板上其他各个模块供电。缩短开发时间，系统移植性强，数据调用由SQLite实现，提高节点之间的通信效率。

Description

基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其是一种基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统及控制方法。

背景技术

机器人在如今的现代化生产中，逐渐成为工业生产的主要力量，并且在服务业、农业等领域发挥着重要作用。机器化生产的优点是生产效率高、精度高、产品质量高。ROS(英文：Robot Operating System，中文：机器人操作系统)提供硬件抽象、底层设备控制、常用功能实现、进程间消息以及数据包管理。因为ROS是一种图状架构，从而不同节点的进程能接受、发布、聚合各种信息，从而实现机器人控制。ROS的通信架构包括数据的处理、进程的运行、消息的传递等，节点作为ROS通信的最小单位，管理机器人的不同功能，降低程序的崩溃率。Node Master管理系统所有的通信节点，建立节点与节点之间的通信。ROS作为一个位于Linux系统上的软件平台，不需要考虑硬件接口的问题，实现了代码的复用。SQLite是一种轻型的嵌入式数据库，包含在一个相对小的C库中，占用资源低，能够支持Windows、Linux、Unix等主流操作系统，同时能够跟很多程序语言相结合，处理速度快。

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统和复杂机械等组成，机器人运动控制是指控制系统按照预先设计的控制算法制定控制命令，通过驱动装置驱动执行机构，使机器人完成目标动作。目前机器人开发存在的问题是由于不同厂家生产的机器人硬件接口的不同，使得代码移植率低，开发周期长。ROS节点的通信机制：节点在节点管理器处注册需要订阅或发布的话题，注册完成后，节点管理器会返回一个成功的应答，其中包含所有发布节点的标识符，然后订阅节点与相应的发布节点建立连接并传输话题的相关信息。任何新的节点发布一个话题需要在节点管理器中完成话题的注册，节点管理器会给所有订阅这个话题的节点发出一个请求，消息中包含所有可用的节点标识符，消息的数据由TCPROS协议传输。由ROS节点的通信机制可知，节点与节点之间的数据传递只能是一对一的。而现实的机器人运动控制中，一个节点往往会被多个节点订阅，因此需要将同一组数据重复传输多次，这样的数据传输方式需要占用很多资源，并且会受到通信带宽的限制，降低机器人运动控制的效率。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统及控制方法。

本发明的技术方案如下：

第一方面，一种基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统，包括：硬件结构和软件系统；所述硬件结构包括树莓派、驱动板、传感器和执行机构，所述驱动板包括电源模块、MCU模块、驱动模块和USB模块；所述软件系统包括ROS软件平台和嵌入式数据库SQLite；

所述树莓派用于安装Ubuntu系统，作为机器人运动控制的核心处理器，在所述Ubuntu系统中安装所述ROS软件平台和所述嵌入式数据库SQLite；所述树莓派与所述驱动板上的MCU模块通过所述USB模块连接，所述MCU模块用于处理执行所述树莓派传输的控制决策；所述传感器与所述树莓派连接，将采集的数据传输给所述树莓派；所述驱动模块根据所述MCU模块的驱动信号驱动所述执行机构运作；所述电源模块用于为所述驱动板上其他各个模块供电。

其进一步的技术方案为：所述执行结构包括带电机的驱动轮，所述驱动模块包括电机驱动模块，所述电机驱动模块由所述电源模块供电；所述电机驱动模块与所述MCU模块连接，所述电机驱动模块根据所述MCU模块的控制驱动所述电机的运转来控制驱动轮的运作。

其进一步的技术方案为：所述硬件结构还包括万向轮和机器人外壳；所述万向轮安装在所述机器人外壳上，所述机器人外壳将机器人的硬件结构进行整合；所述驱动轮、所述万向轮和所述机器人外壳构成机器人的机械结构。

其进一步的技术方案为：所述传感器包括雷达，所述驱动板还包括雷达模块，所述雷达模块由所述电源模块供电；所述雷达模块与所述MCU模块连接，所述雷达模块在所述MCU模块的控制下驱动所述雷达检测机器人的周围环境。

其进一步的技术方案为：所述传感器还包括编码器，所述编码器用于测量机器人的运动速度。

其进一步的技术方案为：所述传感器还包括摄像头，所述摄像头用于拍摄图像并将图像传输到PC端。

其进一步的技术方案为：所述驱动板还包括输入/输出接口，所述输入/输出接口用于进行串口调试，将硬件结构中的设备与所述驱动板上的各个模块连接。

第二方面，一种基于ROS和SQLite的机器人运动控制方法，应用于如第一方面所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统中，所述方法包括：

步骤11，机器人开机上电，所述树莓派和所述驱动板开始工作；

步骤12，所述传感器启动检测环境，将数据传输给所述树莓派并存储于所述嵌入式数据库SQLite中；

步骤13，所述ROS软件平台启动，节点之间通信制定控制策略并产生控制信号；

步骤14，所述驱动板的MCU模块将所述控制信号转化为驱动信号；

步骤15，所述驱动模块将所述驱动信号放大之后直接作用于所述执行机构；

步骤16，所述执行机构运作，机器人运动；

步骤17，更新机器人当前状态，若未断电，则返回执行步骤12，若断电，则继续执行步骤18；

步骤18，电源断开，机器人停止运动。

其进一步的技术方案为：所述ROS软件平台中节点的数据存储的运行流程包括：

步骤21，所述ROS软件平台和所述嵌入式数据库SQLite启动；

步骤22，发布机器人所需执行功能的初始化包，参与所需执行功能的节点在所述ROS软件平台的NodeMaster注册话题并相互建立通信；

步骤23，传感器节点检测周围环境，同时将数据存储至所述嵌入式数据库SQLite中，数据库将数据存储的地址返回给传感器节点；

步骤24，订阅传感器发布话题的节点向所述传感器节点发出请求，所述传感器节点将包含数据地址的信息传输给订阅节点；

步骤25，所述订阅节点根据所述数据地址搜寻数据库中的数据，完成设定的数据处理任务；

步骤26，按照控制策略并根据所述订阅节点的数据处理结果做出控制决策；

步骤27，更新节点状态，若未断电，则返回执行步骤23，循环执行机器人功能，若断电，则继续执行步骤28；

步骤28，断开电源，所述ROS软件平台关闭。

其进一步的技术方案为：所述传感器节点的数据是动态存储；

所述传感器采集的数据的数据内容和数据长度随时间改变，所述嵌入式数据库SQLite为所述ROS软件平台提供数据地址，所述ROS软件平台通过数据地址查询和存储数据，所述嵌入式数据库SQLite的内部数据存储根据数据长度随机分配内存来实现数据的动态存储。

本发明的有益技术效果是：

1、使用ROS软件平台，机器人开发时间缩短，系统的移植性更强。

2、使用嵌入式数据库存储节点发布的数据，能够存储的数据容量更大。

3、数据的调用通过嵌入式数据库SQLite实现，提高了节点之间通信的效率。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统的结构框图。

图2是本发明另一个实施例提供的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统的结构框图。

图3是本发明一个实施例提供的基于ROS和SQLite的机器人运动控制方法的流程图。

图4是本发明一个实施例提供的ROS机器人的工作流程的示意图。

图5是本发明一个实施例提供的ROS软件平台中节点的数据存储的运行流程的流程图。

图6是本发明一个实施例提供的位于Linux上的软件平台的工作流程图。

图7是本发明一个实施例提供的机器人的使用流程图。

图8是本发明一个实施例提供的传统ROS通信机制的示意图。

图9是本发明一个实施例提供的加入嵌入式数据库后的ROS通信机制的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1是本发明一个实施例提供的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统的结构框图，该基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统包括硬件结构100和软件系统200。

硬件结构100包括树莓派300、驱动板400、传感器500和执行机构600，驱动板400包括电源模块410、MCU模块420、驱动模块430和USB模块440。软件系统200包括ROS软件平台210和嵌入式数据库SQLite 220。

树莓派300用于安装Ubuntu系统，作为机器人运动控制的核心处理器，在Ubuntu系统中安装ROS软件平台210和嵌入式数据库SQLite 220；树莓派300与驱动板400上的MCU模块420通过USB模块440连接，MCU模块420用于处理执行树莓派300传输的控制决策；传感器500与树莓派300连接，将采集的数据传输给树莓派300；驱动模块430根据MCU模块420的驱动信号驱动执行机构600运作；电源模块410用于为驱动板400上其他各个模块供电。

本发明实施例中的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统可分为两个层面，一个是位于Linux系统上的软件平台工作流程，另一个是以树莓派和MCU为核心的机器人运动控制。

Linux系统是指操作系统的内核，Ubuntu系统是指基于这个内核的操作系统，相当于在Linux的内核上加了一个界面系统。

可选的，结合参考图2，执行结构600包括带电机610的驱动轮620，驱动模块430包括电机驱动模块431，电机驱动模块431由电源模块410供电；电机驱动模块431与MCU模块420连接，电机驱动模块431根据MCU模块420的控制驱动电机610的运转来控制驱动轮620的运作。

可选的，结合参考图2，硬件结构100还包括万向轮700和机器人外壳800；万向轮700安装在机器人外壳800上，机器人外壳800将机器人的硬件结构100进行整合；驱动轮620、万向轮700和机器人外壳800构成机器人的机械结构。

可选的，结合参考图2，传感器500包括雷达510，驱动板400还包括雷达模块450，雷达模块450由电源模块410供电；雷达模块450与MCU模块420连接，雷达模块450在MCU模块420的控制下驱动雷达510检测机器人的周围环境。

可选的，结合参考图2，传感器500还包括编码器520，编码器520用于测量机器人的运动速度。

可选的，结合参考图2，传感器500还包括摄像头530，摄像头530用于拍摄图像并将图像传输到PC端。

机器人与PC端之间建立通信连接，摄像头530拍摄的图像传输到PC端供管理人员查看。

可选的，驱动板400还包括输入/输出接口460，输入/输出接口460用于进行串口调试，将硬件结构100中的设备与驱动板400上的各个模块连接。

图3是本发明一个实施例提供的基于ROS和SQLite的机器人运动控制方法的流程图，该方法应用于如图1或图2所示的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统中，该方法可以包括：

步骤11，机器人开机上电，树莓派和驱动板开始工作。

步骤12，传感器启动检测环境，将数据传输给树莓派并存储于嵌入式数据库SQLite中。

步骤13，ROS软件平台启动，节点之间通信制定控制策略并产生控制信号。

步骤14，驱动板的MCU模块将控制信号转化为驱动信号。

步骤15，驱动模块将驱动信号放大之后直接作用于执行机构。

步骤16，执行机构运作，机器人运动。

步骤17，更新机器人当前状态，若未断电，则返回执行步骤12，若断电，则继续执行步骤18。

步骤18，电源断开，机器人停止运动。

结合参考图4，其示出了ROS机器人的工作流程的示意图。

可选的，ROS软件平台中节点的数据均存储于嵌入式数据库SQLite中，图5是本发明一个实施例提供的ROS软件平台中节点的数据存储的运行流程的流程图，以机器人SLAM(即时定位与地图构建)为例，包括：

步骤21，ROS软件平台和嵌入式数据库SQLite启动。

步骤22，发布机器人所需执行功能的初始化包，参与所需执行功能的节点在ROS软件平台的NodeMaster注册话题并相互建立通信。

NodeMaster为节点管理器。

可选的，初始化包为SLAM包。

步骤23，传感器节点检测周围环境，同时将数据存储至所述嵌入式数据库SQLite中，数据库将数据存储的地址返回给传感器节点。

步骤24，订阅传感器发布话题的节点向传感器节点发出请求，传感器节点将包含数据地址的信息传输给订阅节点。

步骤25，订阅节点根据数据地址搜寻数据库中的数据，完成设定的数据处理任务。

步骤26，按照控制策略并根据订阅节点的数据处理结果做出控制决策。

步骤27，更新节点状态，若未断电，则返回执行步骤23，循环执行机器人功能，若断电，则继续执行步骤28。

以SLAM为例，这里执行的机器人功能为定位和地图构建。

步骤28，断开电源，ROS软件平台关闭。

结合参考图6，其示出了位于Linux上的软件平台的工作流程图。

如图7所示，其示出了本发明机器人的使用流程图，以机器人SLAM为例，第一步，启动电源，机器人开始工作，将机器人放置于一个地面比较平坦的地方；第二步，通过PC端搜索树莓派WiFi热点信号并连接；第三步，PC端发送ROS命令，启动ROS；第四步，PC端发送ROS控制命令，发布SLAM初始化包；第五步，机器人开始运动，通过PC端观察机器人SLAM构建的地图机器实时位置；第六步，构图结束，关闭ROS，并断开电源。

需要说明的是，机器人SLAM的功能实现仅是示例性的，机器人在实际应用中可以完成其他很多功能，上述功能实现用于解释本发明，对其他功能实现不进行限定。

其中，传感器节点的数据是动态存储；传感器采集的数据的数据内容和数据长度随时间改变，嵌入式数据库SQLite为ROS软件平台提供数据地址，ROS软件平台通过数据地址查询和存储数据，嵌入式数据库SQLite的内部数据存储根据数据长度随机分配内存来实现数据的动态存储。

为了提高ROS的数据传输效率，采用数据共享的方式，实现ROS系统中多个节点共同使用其他节点发布的数据。为实现数据共享，使用嵌入式数据库SQLite存储节点发布的数据，在其他节点订阅话题并与发布该话题的节点建立通信之后，数据不是在节点与节点之间直接传输，而是在话题订阅节点和数据库之间传输，因此减少了数据传输对CPU资源的占用，提供了CPU处理数据的能力和机器人运动控制的效率。

结合参考图8和图9，图8是传统ROS通信机制的示意图，图9是加入嵌入式数据库后的ROS通信机制的示意图，加入嵌入式数据库SQLite的节点的通信机制与原来的ROS通信机制一样，所有需要发布或订阅话题的节点都需要在节点管理器中注册话题的信息，对于发布话题的节点，注册完话题信息之后，节点将需要发布的数据存储到数据库中并从数据库中返回一个数据地址。当有其他节点订阅该话题时，话题的发布节点与订阅节点之间建立通信，开始传输话题的信息，传输的信息除了标识符、节点信息外，还包括数据地址，当订阅该话题的节点得到对应的数据地址时，通过嵌入式数据库SQLite调用数据库中存储的数据，完成节点的处理功能。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统，其特征在于，包括：硬件结构和软件系统；所述硬件结构包括树莓派、驱动板、传感器和执行机构，所述驱动板包括电源模块、MCU模块、驱动模块和USB模块；所述软件系统包括ROS软件平台和嵌入式数据库SQLite；

所述树莓派用于安装Ubuntu系统，作为机器人运动控制的核心处理器，在所述Ubuntu系统中安装所述ROS软件平台和所述嵌入式数据库SQLite；所述树莓派与所述驱动板上的MCU模块通过所述USB模块连接，所述MCU模块用于处理执行所述树莓派传输的控制决策；所述传感器与所述树莓派连接，将采集的数据传输给所述树莓派；所述驱动模块根据所述MCU模块的驱动信号驱动所述执行机构运作；所述电源模块用于为所述驱动板上其他各个模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统，其特征在于，所述执行结构包括带电机的驱动轮，所述驱动模块包括电机驱动模块，所述电机驱动模块由所述电源模块供电；所述电机驱动模块与所述MCU模块连接，所述电机驱动模块根据所述MCU模块的控制驱动所述电机的运转来控制驱动轮的运作。

3.根据权利要求2所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统，其特征在于，所述硬件结构还包括万向轮和机器人外壳；所述万向轮安装在所述机器人外壳上，所述机器人外壳将机器人的硬件结构进行整合；所述驱动轮、所述万向轮和所述机器人外壳构成机器人的机械结构。

4.根据权利要求1所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统，其特征在于，所述传感器包括雷达，所述驱动板还包括雷达模块，所述雷达模块由所述电源模块供电；所述雷达模块与所述MCU模块连接，所述雷达模块在所述MCU模块的控制下驱动所述雷达检测机器人的周围环境。

5.根据权利要求1所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统，其特征在于，所述传感器还包括编码器，所述编码器用于测量机器人的运动速度。

6.根据权利要求1所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统，其特征在于，所述传感器还包括摄像头，所述摄像头用于拍摄图像并将图像传输到PC端。

7.根据权利要求1至6任一所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统，其特征在于，所述驱动板还包括输入/输出接口，所述输入/输出接口用于进行串口调试，将硬件结构中的设备与所述驱动板上的各个模块连接。

8.一种基于ROS和SQLite的机器人运动控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任一所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制系统中，所述方法包括：

步骤11，机器人开机上电，所述树莓派和所述驱动板开始工作；

步骤12，所述传感器启动检测环境，将数据传输给所述树莓派并存储于所述嵌入式数据库SQLite中；

步骤13，所述ROS软件平台启动，节点之间通信制定控制策略并产生控制信号；

步骤14，所述驱动板的MCU模块将所述控制信号转化为驱动信号；

步骤15，所述驱动模块将所述驱动信号放大之后直接作用于所述执行机构；

步骤16，所述执行机构运作，机器人运动；

步骤17，更新机器人当前状态，若未断电，则返回执行步骤12，若断电，则继续执行步骤18；

步骤18，电源断开，机器人停止运动。

9.根据权利要求8所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制方法，其特征在于，所述ROS软件平台中节点的数据存储的运行流程包括：

步骤21，所述ROS软件平台和所述嵌入式数据库SQLite启动；

步骤22，发布机器人所需执行功能的初始化包，参与所需执行功能的节点在所述ROS软件平台的NodeMaster注册话题并相互建立通信；

步骤23，传感器节点检测周围环境，同时将数据存储至所述嵌入式数据库SQLite中，数据库将数据存储的地址返回给传感器节点；

步骤24，订阅传感器发布话题的节点向所述传感器节点发出请求，所述传感器节点将包含数据地址的信息传输给订阅节点；

步骤25，所述订阅节点根据所述数据地址搜寻数据库中的数据，完成设定的数据处理任务；

步骤26，按照控制策略并根据所述订阅节点的数据处理结果做出控制决策；

步骤27，更新节点状态，若未断电，则返回执行步骤23，循环执行机器人功能，若断电，则继续执行步骤28；

步骤28，断开电源，所述ROS软件平台关闭。

10.根据权利要求9所述的基于ROS和SQLite的机器人运动控制方法，其特征在于，所述传感器节点的数据是动态存储；

所述传感器采集的数据的数据内容和数据长度随时间改变，所述嵌入式数据库SQLite为所述ROS软件平台提供数据地址，所述ROS软件平台通过数据地址查询和存储数据，所述嵌入式数据库SQLite的内部数据存储根据数据长度随机分配内存来实现数据的动态存储。