CN111474866A - 基于ros的无人仓储站运动控制仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真方法及系统，仿真方法主要包括以下步骤：建立无人仓储站三维运动模型；将该模型写入仿真器，设计不同运动部件对应的仿真节点；基于ROS系统实现软件控制逻辑，并设置各部件的控制器参数；采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取ROS系统的实时数据；采用实时数据和仿真器中运动模型的虚拟触发信息控制运动模型模拟各真实运动部件的运动状态；基于通信协议将各部件的实时运动参数曲线反馈至ROS系统，以调整控制器参数和控制逻辑。采用本发明，可以缩短软件控制算法的开发周期，实现对无人仓储站的运动控制算法的实验验证，同时也可以实现控制器参数的调试。
Description
技术领域
本发明涉及仿真控制技术领域，尤其涉及一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真方法及系统。
背景技术
无人仓储站是与物流无人机对接的一种地面基站，能够实现在无人状态下用户取货、用户存货、无人机自动换货的功能，其内部货物转运的运动逻辑非常复杂，实现运动控制逻辑的开发周期很长。
发明内容
本发明实施例提供一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真方法及系统，可以缩短软件控制算法的开发周期，通过模拟真实无人仓储站的物理模型，可以实现对无人仓储站的运动控制算法的实验验证，同时也可以实现控制器参数的调试。
本发明第一方便实施例提供了一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真方法，可包括：
采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取ROS系统的实时数据；
采用实时数据和仿真器中三维运动模型的虚拟触发信息控制仿真器中三维运动模型模拟各真实运动部件的运动状态；
基于通信协议将各运动部件的实时运动参数曲线反馈至ROS系统，以调整控制器参数和控制逻辑。
进一步的，上述方法还包括：
建立无人仓储站三维运动模型；
将三维运动模型写入仿真器，设计不同运动部件对应的仿真节点。
进一步的，上述方法还包括：
基于ROS系统实现软件控制逻辑，并设置各运动部件的控制器参数。
进一步的，上述运动部件至少包括货物转运装置、抽屉装置、天窗装置、二次定位装置、柜门装置。
进一步的，上述通信协议的协议架构由主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码、坐标码和反馈码组成。
进一步的，上述功能码包括写功能和读功能两种状态。
进一步的，当功能码为写功能的状态时，通信协议的写功能架构包括主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码和坐标码，通信协议的返回信息格式为主站码、功能码和反馈码。
进一步的，当功能码为读功能的状态时，通信协议的读功能架构包括主站码和功能码，通信协议的返回信息格式为主站码、功能码、反馈码、速度码和坐标码。
进一步的，仿真器为V-rep仿真器。
本发明第二方便实施例提供了一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真系统，可包括：
实时数据获取模块，用于采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取ROS系统的实时数据；
仿真模拟控制模块，用于采用实时数据和仿真器中三维运动模型的虚拟触发信息控制仿真器中三维运动模型模拟各真实运动部件的运动状态；
参数反馈模块，用于基于通信协议将各运动部件的运动实时运动参数曲线反馈至ROS系统，以调整控制器参数和控制逻辑。
进一步的，系统还包括：
运动模型建立模块，用于建立无人仓储站三维运动模型；
仿真节点设计模块，用于将三维运动模型写入仿真器，设计不同运动部件对应的仿真节点。
进一步的，系统还包括：
参数设置模块，用于基于ROS系统实现软件控制逻辑，并设置各运动部件的控制器参数。
进一步的，上述运动部件至少包括货物转运装置、抽屉装置、天窗装置、二次定位装置、柜门装置。
进一步的，上述通信协议的协议架构由主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码、坐标码和反馈码组成。
进一步的，上述功能码包括写入功能和读取功能两种状态。
进一步的，当功能码为写入功能的状态时，通信协议的写功能架构包括主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码和坐标码，通信协议的返回信息格式为主站码、功能码和反馈码。
进一步的，当功能码为读取功能的状态时，通信协议的读功能架构包括主站码和功能码，通信协议的返回信息格式为主站码、功能码、反馈码、速度码和坐标码。
进一步的，仿真器为V-rep仿真器。
本发明实施例第三方面提供了一种终端，可包括：处理器和存储器；其中，存储器存储有计算机程序，计算机程序适于由处理器加载并执行以下步骤：
采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取ROS系统的实时数据；
采用实时数据和仿真器中三维运动模型的虚拟触发信息控制仿真器中三维运动模型模拟各真实运动部件的运动状态；
基于通信协议将各运动部件的实时运动参数曲线反馈至ROS系统，以调整控制器参数和控制逻辑。
本发明实施例第四方面提供了一种计算机存储介质，计算机存储介质存储有多条指令，指令适于由处理器加载并执行以下步骤：
采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取ROS系统的实时数据；
采用实时数据和仿真器中三维运动模型的虚拟触发信息控制仿真器中三维运动模型模拟各真实运动部件的运动状态；
基于通信协议将各运动部件的实时运动参数曲线反馈至ROS系统，以调整控制器参数和控制逻辑。
本发明的有益效果：首先定义了ROS系统和仿真器即V-rep之间新的通信协议，满足了ROS主控端与V-rep执行端的复杂通信要求，再基于该协议实现了ROS系统中控制逻辑与仿真器中虚拟触发信号对仿真器中三维运动模型的运动控制，模拟了真实无人仓储站的物理模型，同时通过上述协议将控制的参数反馈至ROS系统反向实现了控制算法的验证以及控制器参数的调试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的通信协议的协议架构图；
图3a-和图3b是本发明实施例提供的功能码的两种状态下结构图；
图4是本发明实施例提供的另一基于ROS的无人仓储站运动控制仿真方法的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真系统的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真系统的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种终端的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明实施例涉及的终端可以是大型计算机、PC机、平板电脑、掌上电脑以及移动互联网设备(MID)等其他具备数据处理能力的终端设备。
如图1所示，在本申请的第一个实施例中，基于ROS的无人仓储站运动控制仿真方法至少包括以下步骤：
S101，采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取ROS系统的实时数据。
需要说明的是，ROS是开源的机器人操作系统，可以为开发者提供一个标准的、开源的编程框架。V-rep是一种具有开放式框架的虚拟机器人仿真平台，虽然现在有一部分插件可以实现ROS与V-rep的通信，但是通信消息形式过于单一，控制形式差，效率低，远远不能满足复杂的机器人仿真系统的通信需求。因此，本发明针对无人仓储站控制特性，定义了一种新的协议架构，以满足ROS 主控端与V-rep执行端的复杂通信要求。
在一种优选的实现方式中，上述通信协议的协议架构如图2所示，可以由主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码、坐标码和反馈码组成。其中功能码如图2所示可以包括两种形式即写功能和读功能两种状态下的形式，具体的在写功能的状态下，通信协议如图3a所示，写功能架构包括主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码和坐标码，返回信息格式为主站码、功能码和反馈码。在读功能的状态下，通信协议如图3b所示，读功能架构包括主站码和功能码，返回信息格式为主站码、功能码、反馈码、速度码和坐标码。
具体实现中，系统可以首先基于三维设计软件建立无人仓储站的三维运动模型，该模型主要包括至少两个运动部件，例如可以包括货物转运装置、抽屉装置、天窗装置、二次定位装置、柜门装置。进一步的，可以将该模型导入至 V-rep仿真器中，设计不同运动部件的仿真节点。同时，系统可以基于ROS系统实现软件层次的控制逻辑，并设置各运动部件的控制器参数。
进而，系统可以在三维运动模型和ROS系统同时独立运行时，基于上述通信协议获取ROS系统的实时数据，该数据可以是真实控制逻辑控制无人仓储站内各运动部件运行时的真实控制数据。
S102，采用实时数据和仿真器中三维运动模型的虚拟触发信息控制仿真器中三维运动模型模拟各真实运动部件的运动状态。
可以理解的是，V-rep仿真器通过虚拟触发信号控制仿真器中三维运动模型各真实运动部件的运动状态，在仿真器接收到ROS系统传递的实时数据后，可以同时基于虚拟触发信号和实时数据同时控制仿真器中各运动部件的运动状态，主要可以包括无人仓储站的用户取货、用户存货和无人机换货等。
S103，基于通信协议将各运动部件的实时运动参数曲线反馈至ROS系统。
具体实现中，在V-rep仿真器仿真模拟无人仓储站各部件的运动状态时，产生的实时运动数据可以形成实时运动参数曲线，仿真器通过上述通信协议可以将该曲线反馈至ROS系统，以便ROS系统可以根据接收到的仿真器反馈的运动曲线调整真实的运动控制中的控制器参数或者控制逻辑。
在本发明实施例中，首先定义了ROS系统和仿真器即V-rep之间新的通信协议，满足了ROS主控端与V-rep执行端的复杂通信要求，再基于该协议实现了ROS系统中控制逻辑与仿真器中虚拟触发信号对仿真器中三维运动模型的运动控制，模拟了真实无人仓储站的物理模型，同时通过上述协议将控制的参数反馈至ROS系统反向实现了控制算法的验证以及控制器参数的调试。
如图4所示，在本申请的第二个实施例中，基于ROS的无人仓储站运动控制仿真过程至少包括以下流程：
S201，构建无人仓储站三维运动模型。
S202，三维运动模型导出STL格式。
S203，在V-rep中建立无人仓储站仿真模型。
S204，设置仿真模型物理参数。
S205，V-rep内嵌Lua脚本中设置各运动关节句柄。
S206，构建反馈机制(速度、位移)。
具体实现中，反馈信号可以通过RH-V-rep-topic协议反馈至无人仓储站运动控制逻辑层。
S207，完成对电机参数调试及运动控制算法验证。
S208，设置运动电机参数。
具体实现中，可以在ROS无人仓储站操作系统中设置运动电机参数。而运动控制参数可以在无人仓储站运动控制逻辑层发挥控制作用，生成的控制信号可以通过RH-V-rep-topic协议发送至V-rep内嵌Lua脚本中设置各运动关节句柄中，对仿真器中的仿真关节进行控制。
需要说明的是，本实施例中的详细的仿真实现过程与实施例一种的描述一致，此处不再赘述。
如图5所示，在本申请的第三个实施例中，基于ROS的无人仓储站运动控制仿真系统主要包括控制端、ROS控制层和V-rep仿真层。其中，ROS控制层包括主控模块、算法模块、指令加密协议库和指令解密协议库；V-rep仿真层包括指令解密协议库、无人仓储站仿真执行端和指令加密协议库。
需要说明的是，上述控制端主要控制ROS控制层的主控模块进行控制算法的实现。ROS控制层和V-rep仿真层中的指令加密和解密协议库是相互对应的， ROS控制层的加密协议库对应V-rep仿真层的解密协议库，V-rep仿真层的加密协议库对应ROS控制层的解密协议库。加密和解密协议库的对应关系与两个层之间的数据传输和反馈过程是一一对应的。
如图6所示，在本申请的第四个实施例中，基于ROS的无人仓储站运动控制仿真系统10主要包括实时数据获取模块101、仿真模拟控制模块102、参数反馈模块103、运动模型建立模块104、仿真节点设计模块105和参数设置模块 106。
运动模型建立模块104，用于建立无人仓储站三维运动模型。
仿真节点设计模块105，用于将三维运动模型写入仿真器，设计不同运动部件对应的仿真节点。
参数设置模块106，用于基于ROS系统实现软件控制逻辑，并设置各运动部件的控制器参数。
实时数据获取模块101，用于采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取ROS系统的实时数据。
仿真模拟控制模块102，用于采用实时数据和仿真器中三维运动模型的虚拟触发信息控制仿真器中三维运动模型模拟各真实运动部件的运动状态。
参数反馈模块103，用于基于通信协议将各运动部件的运动实时运动参数曲线反馈至ROS系统，以调整控制器参数和控制逻辑。
具体实现中，上述运动部件至少包括货物转运装置、抽屉装置、天窗装置、二次定位装置、柜门装置。
上述通信协议的协议架构由主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码、坐标码和反馈码组成。
需要说明的是，上述功能码包括写入功能和读取功能两种状态。
其中，当功能码为写入功能的状态时，通信协议的写功能架构包括主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码和坐标码，通信协议的返回信息格式为主站码、功能码和反馈码。
当功能码为读取功能的状态时，通信协议的读功能架构包括主站码和功能码，通信协议的返回信息格式为主站码、功能码、反馈码、速度码和坐标码。
在本发明实施例中，首先定义了ROS系统和仿真器即V-rep之间新的通信协议，满足了ROS主控端与V-rep执行端的复杂通信要求，再基于该协议实现了ROS系统中控制逻辑与仿真器中虚拟触发信号对仿真器中三维运动模型的运动控制，模拟了真实无人仓储站的物理模型，同时通过上述协议将控制的参数反馈至ROS系统反向实现了控制算法的验证以及控制器参数的调试。
本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质可以存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如上述图1-图3b所示实施例的方法步骤，具体执行过程可以参见图1-图3b所示实施例的具体说明，在此不进行赘述。
请参见图7，为本发明实施例提供了一种终端的结构示意图。如图7所示，终端1000可以包括：至少一个处理器1001，例如CPU，至少一个网络接口1004，用户接口1003，存储器1005，至少一个通信总线1002。其中，通信总线1002 用于实现这些组件之间的连接通信。其中，用户接口1003可以包括显示屏 (Display)，可选用户接口1003还可以包括键盘(Keyboard)、标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如 WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器1001的存储装置。如图7所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及无人仓储站运动控制仿真应用程序。
在图7所示的设备1000中，用户接口1003主要用于为用户提供输入的接口，获取用户输入的数据；网络接口1004用于与用户终端进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的无人仓储站运动控制仿真应用程序，并具体执行以下操作：
采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取ROS系统的实时数据；
采用实时数据和仿真器中三维运动模型的虚拟触发信息控制仿真器中三维运动模型模拟各真实运动部件的运动状态；
基于通信协议将各运动部件的实时运动参数曲线反馈至ROS系统，以调整控制器参数和控制逻辑。
在一些实施例中，处理器1001，还用于执行以下操作：
建立无人仓储站三维运动模型；
将三维运动模型写入仿真器，设计不同运动部件对应的仿真节点。
在一些实施例中，处理器1001，还用于执行以下操作：
基于ROS系统实现软件控制逻辑，并设置各运动部件的控制器参数。
在一些实施例中，运动部件至少包括货物转运装置、抽屉装置、天窗装置、二次定位装置、柜门装置。
在一些实施例中，通信协议的协议架构由主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码、坐标码和反馈码组成。
在一些实施例中，功能码包括写功能和读功能两种状态。
在一些实施例中，当功能码为写功能的状态时，通信协议的写功能架构包括主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码和坐标码，通信协议的返回信息格式为主站码、功能码和反馈码。
在一些实施例中，当功能码为读功能的状态时，通信协议的读功能架构包括主站码和功能码，通信协议的返回信息格式为主站码、功能码、反馈码、速度码和坐标码。
在一些实施例中，仿真器为V-rep仿真器。
在本发明实施例中，首先定义了ROS系统和仿真器即V-rep之间新的通信协议，满足了ROS主控端与V-rep执行端的复杂通信要求，再基于该协议实现了ROS系统中控制逻辑与仿真器中虚拟触发信号对仿真器中三维运动模型的运动控制，模拟了真实无人仓储站的物理模型，同时通过上述协议将控制的参数反馈至ROS系统反向实现了控制算法的验证以及控制器参数的调试。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory， ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真方法，其特征在于，包括：
采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取所述ROS系统的实时数据；
采用所述实时数据和仿真器中三维运动模型的虚拟触发信息控制仿真器中三维运动模型模拟各真实运动部件的运动状态；
基于所述通信协议将各运动部件的实时运动参数曲线反馈至所述ROS系统，以调整所述控制器参数和控制逻辑。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
建立无人仓储站三维运动模型；
将所述三维运动模型写入仿真器，设计不同运动部件对应的仿真节点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于ROS系统实现软件控制逻辑，并设置各运动部件的控制器参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动部件至少包括货物转运装置、抽屉装置、天窗装置、二次定位装置、柜门装置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信协议的协议架构由主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码、坐标码和反馈码组成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述功能码包括写功能和读功能两种状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述功能码为写功能的状态时，所述通信协议的写功能架构包括主站码、功能码、驱动码、PID码、速度码和坐标码，所述通信协议的返回信息格式为主站码、功能码和反馈码。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述功能码为读功能的状态时，所述通信协议的读功能架构包括主站码和功能码，所述通信协议的返回信息格式为主站码、功能码、反馈码、速度码和坐标码。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真器为V-rep仿真器。
10.一种基于ROS的无人仓储站运动控制仿真系统，其特征在于，包括：
实时数据获取模块，用于采用预先设计的仿真器与ROS系统间的通信协议获取所述ROS系统的实时数据；
仿真模拟控制模块，用于采用所述实时数据和仿真器中三维运动模型的虚拟触发信息控制仿真器中三维运动模型模拟各真实运动部件的运动状态；
参数反馈模块，用于基于所述通信协议将各运动部件的运动实时运动参数曲线反馈至所述ROS系统，以调整所述控制器参数和控制逻辑。
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