CN116901075A - 基于ros系统与pixhawk的多场景巡检机器人及巡检方法 - Google Patents
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Abstract
基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人及巡检方法，涉及巡检机器人技术领域，其中的巡检机器人包括机器人终端；远程终端，用于和机器人终端通信连接以实现远程监测和远程操控；飞控系统，设置于机器人终端并与远程终端连接，用于接收卫星定位信号以控制车体运动；自主导航系统，设置于机器人终端，用于通过激光雷达进行环境感知，并利用Hector建图模块进行实时地图构建以实现无卫星定位信号环境下的自主导航。本发明提高了巡检机器人的实用性和应用范围，减少了人工巡检的时间和劳动力成本。
Description
技术领域
本发明涉及巡检机器人技术领域，尤其指一种基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人及巡检方法。
背景技术
随着社会的快速发展和科技的不断进步，巡检机器人技术在各行各业逐渐融合渗透，为新一轮的科技革命和产业变革奠定了基础。巡检机器人能够替代人力完成各种复杂、危险、或需要长时间进行的任务，如巡查、卫星定位、航线规划等。
目前，美国、德国、日本等发达国家已经在工业生产线上广泛采用巡检机器人进行生产线巡检和质量检测，以提高生产效率和产品质量。例如，美国的GE公司已经开发出一款名为“Predix”的智能巡检机器人。该机器人能够通过传感器和高清摄像头对生产线上的设备进行全方位监测，对设备的故障进行预测，提前进行维修，从而避免生产线因设备故障而停工的情况。此外，在医疗领域，也有基于巡检的智能车应用。例如，日本的山梨县医疗中心使用名为“Whiz”的智能巡检车，可以自主地在医院内部巡检，自动检测房间内的温度、湿度、光照等环境参数，并能够自主调节房间内的温度和湿度，提高了医院内部的舒适性和环境品质。
然而，现有的巡检机器人在一些特定应用场景下尚存在等多方面的不足。例如，许多当前的巡检机器人主要依赖于全球定位系统(GPS)进行定位和航线规划，由于某些环境下（如建筑屋内、山区、隧道内等）无法接收到卫星信号，传统的基于GPS的导航方法在这些情况下可能无法正常工作。此外，这些传统的巡检机器人常常无法实时地构造和更新环境地图，这将限制其在复杂、变化的环境中进行高效、便捷的自动导航。
例如中国专利CN 111300372 A公开了一种空地协同式智能巡检机器人，其综合运用物联网、人工智能、云计算、大数据等技术，集成环境感知、动态决策、行为控制和报警装置来实现巡检机器人的行走和交流等能力，以完成相关安保工作，但该巡检机器人必须依靠物联网等终端提供的网络信号来实现运行，一旦脱离信号则无法再进行正常工作。
因此，急需一种可以在多种场景下进行自主巡检，且能在GPS无信号时依然能进行自主导航和环境感知的巡检机器人，以提高其应用范围。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，以便于在无信号环境下也能够实现自主导航。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，包括机器人终端；远程终端，用于和机器人终端通信连接以实现远程监测和远程操控；飞控系统，设置于机器人终端并与远程终端连接，用于接收卫星定位信号以控制车体运动；自主导航系统，设置于机器人终端，用于通过激光雷达进行环境感知，并利用Hector建图模块进行实时地图构建以实现无卫星定位信号环境下的自主导航。
优选地，所述机器人端包括车体以及设置于车体的摄像头、扬声器、麦克风、主控制器、无线数据终端、电源以及行走机构。
更优选地，所述主控制器选用树莓派控制芯片，所述飞控系统选用PIXHAWK控制芯片。
更优选地，所述飞控系统与主控制系统通过串口进行通信连接，使用MAVLink协议和ROS协议实现数据传输和控制指令的交互。
更优选地，所述飞控系统还设有能够用于手动控制飞行状态的切换开关。
更优选地，所述机器人终端上还设有继电器和空气开关。
更优选地，所述行走机构为通用MINI PLUS履带车底盘总成。
更优选地，所述远程终端与机器人终端之间连接有能够通过使用FPR实现内网穿透的云服务器。
另外，本发明还提供一种基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检方法，其包括上述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，于巡检过程中，在有卫星定位信号的环境下，通过飞控系统接收卫星定位信号，获取车辆的准确位置和姿态信息，规划车辆的行线并实施调整飞行参数；在无卫星定位信号的环境下，通过激光雷达进行环境感知，并利用Hector建图模块进行实时地图构建以实现无卫星定位信号环境下的自主导航。
其中，利用Hector建图模块进行实时地图构建的方法包括：
S1、初始地图创建：创建一个空的栅格地图，该地图用于存储环境的特征和障碍物信息。
S2、激光扫描匹配：通过激光雷达获取环境的扫描数据，使用扫描匹配技术将当前的激光扫描数据与先前的地图进行匹配，从而估计机器人的位置，匹配过程通过寻找最佳的旋转和平移变换，将激光扫描数据与地图上的特征匹配。
S3、地图更新：在进行扫描匹配后，根据匹配结果更新地图，已匹配的激光束将用于更新地图中对应栅格的属性，通过对匹配结果的处理，地图中的特征信息逐渐增加，同时更新机器人周围环境的障碍物信息。
S4、位置估计和粒子滤波：根据激光扫描匹配的结果，使用粒子滤波方法采样和更新机器人的位置概率分布，通过不断采样和更新，以获得机器人当前位置的概率分布，用于实时定位和建图。
S5、循环更新：以周期性的方式执行上述步骤，持续地接收激光扫描数据并更新地图，通过不断的扫描匹配和地图更新，以实时构建环境的二维地图。
与现有技术相比，本发明通过在机器人终端设置自主导航系统，使得机器人终端在无法接收到卫星定位信号时，也能够通过激光雷达进行环境感知，并利用Hector建图模块进行实时地图构建以实现自主导航，提高了巡检机器人的实用性和应用范围，减少了人工巡检的时间和劳动力成本。
附图说明
图1为本发明的系统网络拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例中的机器人终端示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，包括机器人终端；远程终端，用于和机器人终端通信连接以实现远程监测和远程操控；飞控系统，设置于机器人终端并与远程终端连接，用于接收卫星定位信号以控制车体运动；自主导航系统，设置于机器人终端，用于通过激光雷达进行环境感知，并利用Hector建图模块进行实时地图构建以实现无卫星定位信号环境下的自主导航。
在上述结构中，机器人端包括车体以及设置于车体的摄像头、扬声器、麦克风、主控制器、无线数据终端、电源以及行走机构。
主控制器选用树莓派控制芯片，即Raspberry Pi 3 model B Linux，能够实现高度灵活和可定制的控制系统。树莓派提供的计算能力和丰富的接口，可以方便地与其他硬件设备进行连接和通信，实现多种功能的集成。Raspberry Pi 3 model B Linux主板 PI3B是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有4个USB接口和一个10/100M以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能只需接通电视机和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、播放高清视频等诸多功能。本系统使用的3B型号树莓派配置了一枚64位的1.2GHz四核ARM Cortex-A53处理器，搭载1GB LPDDR2 SDRAM内存，支持WiFi和蓝牙4.1无线连接，以及多种扩展接口和GPIO引脚。此树莓派不仅能跑全系列ARM GNU/Linux发行版，而且支持Snappy Ubuntu Core及Windows 10 可以基本满足本系统的硬件性能需求。
同时，车体配备了两个摄像头，这使得机器人能够同时获取多个视角的图像数据，提高目标识别和场景感知的准确性。此外，扬声器、麦克风等传感器，进一步增强了机器人的感知能力和交互能力。
而飞控系统选用PIXHAWK控制芯片，即Pixhawk2.4.8，这是一种高性能的32位APM开源STM32飞控，使用的是ArduPilot固件，它有多种传感器，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等，能够精确地感知无人机的运动状态和环境条件。同时，Pixhawk2.4.8还支持GPS、罗盘等导航设备，使得飞行器可以实现自主导航和定位。
使飞控系统与主控制系统通过串口进行通信连接，使用MAVLink协议和ROS协议实现数据传输和控制指令的交互。这种集成方式使得机器人能够实现高效的飞行控制和导航能力，适应不同场景和巡检任务的需求。其中，飞控系统还设有能够用于手动控制飞行状态的切换开关，这样的设计能够增加对飞行过程的实时控制能力，以及应对突发状况的应急措施，提高机器人的安全性和稳定性。而再机器人终端上还设有继电器和空气开关，用于监控和控制电气系统的电流和电压，以保障系统的稳定和安全运行。这些装置能够实时检测电气系统的异常情况，并采取相应的措施，如断电或报警，以防止潜在的危险和故障发生。
而本实施例中的无线数据终端则可采用中兴MF79U，实际上是一种4G无线上网卡，可以实现将4G网络转换为WiFi信号，供多个设备连接使用。它支持多种4G网络频段，具有良好的网络兼容性和适应性。中兴MF79U上网卡采用USB接口连接，可以插入电脑或路由器的USB接口，方便用户进行网络连接。它还支持最高可达150Mbps的下载速度和50Mbps的上传速度，具有较高的数据传输速率和流畅度。
激光雷达则采用RPLIDAR A1激光雷达，它采用ToF（Time of Flight）技术，可以在短时间内测量出激光束到目标物体和返回的时间，通过计算时间差来确定目标物体的距离和位置。
摄像头可通过翔Gopro3狗4山狗无刷云台安装于车体，这是一种用于稳定拍摄的三轴无刷云台，适用于安装Gopro3、狗4等相机。它采用了Storm32免调试BGC（BrushlessGimbal Controller）技术，能够实现相机的稳定控制和抗震功能。摄像头本身则可采用500万高清像素USB摄像头模组imx335，该摄像头模组采用了imx335图像传感器，具有优秀的图像处理能力和低噪声性能，可用于实时图像采集和视频录制等应用。
在本实施例中，行走机构为通用MINI PLUS履带车底盘总成，其设计坚固，能够承受一定的负载，适合搭载各种传感器、电池和其他设备；采用履带作为行走装置，能够在不同的地形上实现稳定的移动和越障能力，适应各种复杂环境；底盘使用高强度的金属材料制造，具有耐用性和长寿命，适合长时间运行和重复使用；盘上提供了多个安装孔和接口，方便用户添加额外的组件和配件，如摄像头、传感器、舵机等，以满足不同应用的需求。
作为优选地，上述的远程终端与机器人终端之间连接有能够通过使用FPR实现内网穿透的云服务器，具体来说，可选用腾讯云服务器来实现，通过使用FRP（Fast ReverseProxy）来完成内网穿透，从而实现对内网设备的访问和数据转发。具体操作如下：
1. 在腾讯云服务器上安装FRP服务器端：在腾讯云服务器上安装并配置FRP服务器端，使其能够接收来自公网的请求并将其转发到内网设备。
2. 在内网设备上安装FRP客户端：在需要进行内网穿透的内网设备上安装并配置FRP客户端，使其能够与FRP服务器端建立连接，并接收公网请求的转发。
3. 配置FRP服务器端和客户端：在服务器端和客户端的配置文件中，指定需要转发的端口和目标设备的地址等信息。确保服务器端和客户端的配置文件匹配。
4. 启动FRP服务器端和客户端：在腾讯云服务器上启动FRP服务器端，然后在内网设备上启动FRP客户端，建立连接。
5. 测试内网穿透：通过公网访问腾讯云服务器的指定端口，查看请求是否成功转发到内网设备，并实现数据的转发。
本实施例的完整系统构架则是以树莓派为主要控制核心，PIXHAWK为底层控制核心，两个摄像头模组分别通过USB口和CSI接口直接接入树莓派，激光雷达和无线数据终端也通过USB口接入树莓派，BDS定位模组I2C协议接入飞控，其余外设接入飞控PWM针脚。
使用上述实施方式提供的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人的巡检方法为：于巡检过程中，在有卫星定位信号的环境下，通过飞控系统接收卫星定位信号，获取车辆的准确位置和姿态信息，规划车辆的行线并实施调整飞行参数；在无卫星定位信号的环境下，通过激光雷达进行环境感知，并利用Hector建图模块进行实时地图构建以实现无卫星定位信号环境下的自主导航。
在具体使用过程中，例如室外场景下，可以以北斗定位导航为主、SLAM技术为辅，从而实现智能车自主走航，同时搭载环境传感器采集相关数据并上传。例如北斗模块可与Move_Base导航结合，根据位置信息进行数据交换，完成在经纬度坐标系下的路径规划。然后通过设置路径点，本设计可根据路径点的位置信息进行固定路线上的自主走航。同时，还可采用 gstremer 流媒体技术完成音视频数据打包，树莓派与 PIXHAWK 使用 MAVlink 协议进行数据交互
通过在树莓派上安装frpc进行内网穿透，将数据传输至腾讯云服务器。这样，操作人员可以通过网络远程访问巡检智能车的实时数据和图像信息。通过远程监测，操作人员可以实时了解车辆的状态、环境信息以及巡检过程中的异常情况，从而能够及时做出相应的决策和调整。
在远程监测的基础上，还实现了远程操控功能，使操作人员能够通过远程控制界面对巡检智能车进行操控。通过与Pixhawk飞控系统的通信，操作人员可以远程控制车辆的移动、转向和速度等参数，实现远程导航和路径规划。此外，还可以通过远程控制车辆上的设备，如探照灯、摄像头云台等，以便更好地完成巡检任务。
通过远程监测与操控功能，实现了种灵活、便捷的方式来管理和操作巡检智能车。操作人员不再需要现场到场，可以通过互联网远程实时监控和操控车辆，从而大大提高了工作效率和操作的灵活性。同时，出于对安全性的注重，在远程操控过程可以采取严格的身份验证和数据加密措施，确保只有授权人员才能访问和控制车辆，保障系统的安全性和可信度。
在上述巡检方法中，利用Hector建图模块进行实时地图构建的方法包括：
S1、初始地图创建：创建一个空的栅格地图，该地图用于存储环境的特征和障碍物信息。
S2、激光扫描匹配：通过激光雷达获取环境的扫描数据，使用扫描匹配技术将当前的激光扫描数据与先前的地图进行匹配，从而估计机器人的位置，匹配过程通过寻找最佳的旋转和平移变换，将激光扫描数据与地图上的特征匹配。
S3、地图更新：在进行扫描匹配后，根据匹配结果更新地图，已匹配的激光束将用于更新地图中对应栅格的属性，通过对匹配结果的处理，地图中的特征信息逐渐增加，同时更新机器人周围环境的障碍物信息。
S4、位置估计和粒子滤波：根据激光扫描匹配的结果，使用粒子滤波方法采样和更新机器人的位置概率分布，通过不断采样和更新，以获得机器人当前位置的概率分布，用于实时定位和建图。
S5、循环更新：以周期性的方式执行上述步骤，持续地接收激光扫描数据并更新地图，通过不断的扫描匹配和地图更新，以实时构建环境的二维地图。
本发明所提供的巡检机器人，在校园、工厂、仓库、铁路与轨道，煤矿隧道，变电站等多个室内外巡检场景领域都能够具有广阔的市场前景。它能够通过自主走航和环境监测功能，实现对校园、工厂、仓库、铁路与轨道，煤矿隧道，变电站等多个室内外巡检场景的全面监测和数据收集。并且能够及时发现潜在的安全隐患、异常情况和环境问题，帮助管理人员做出及时的决策和处理。这不仅能提高巡检的效率和准确性，还可以大大降低人力成本和人为错误的风险。
如在校园方面，基于巡检智能车的系统可以应用于学校、大学、研究机构等场所的校园管理和安全监控。它可以监测校园内的各种设施、设备和环境参数，包括楼宇、道路、停车场、绿化等，帮助学校管理人员及时了解校园状况，保障师生的安全和舒适。在工业园方面，基于巡检智能车的系统可以应用于工业园区、生产车间、仓库等场所的设备巡检和安全监测。它能够对设备的运行状态、温度、湿度、气体浓度等进行实时监测，并在发现异常情况时及时报警，防止事故和生产故障的发生，提高生产效率和安全性。
因此，基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人不仅满足了现代社会对环境保护和安全的需求，还能够为校园、工厂、仓库、铁路与轨道，煤矿隧道，变电站等多个室内外巡检场景的管理提供智能化、高效的解决方案，促进社会的可持续发展。随着技术的不断进步和市场的不断扩大，基于巡检智能车的系统有望在未来取得更广泛的应用和发展。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，其特征在于，包括：
机器人终端；
远程终端，用于和机器人终端通信连接以实现远程监测和远程操控；
飞控系统，设置于机器人终端并与远程终端连接，用于接收卫星定位信号以控制车体运动；
自主导航系统，设置于机器人终端，用于通过激光雷达进行环境感知，并利用Hector建图模块进行实时地图构建以实现无卫星定位信号环境下的自主导航。
2.根据权利要求1所述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，其特征在于：所述机器人端包括车体以及设置于车体的摄像头、扬声器、麦克风、主控制器、无线数据终端、电源以及行走机构。
3.根据权利要求2所述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，其特征在于：所述主控制器选用树莓派控制芯片，所述飞控系统选用PIXHAWK控制芯片。
4.根据权利要求3所述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，其特征在于：所述飞控系统与主控制系统通过串口进行通信连接，使用MAVLink协议和ROS协议实现数据传输和控制指令的交互。
5.根据权利要求4所述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，其特征在于：所述飞控系统还设有能够用于手动控制飞行状态的切换开关。
6.根据权利要求1所述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，其特征在于：所述机器人终端上还设有继电器和空气开关。
7.根据权利要求1所述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，其特征在于：所述行走机构为通用MINI PLUS履带车底盘总成。
8.根据权利要求1所述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，其特征在于：所述远程终端与机器人终端之间连接有能够通过使用FPR实现内网穿透的云服务器。
9.一种基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检方法，其特征在于：包括权利要求1-8中任一项所述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检机器人，于巡检过程中，在有卫星定位信号的环境下，通过飞控系统接收卫星定位信号，获取车辆的准确位置和姿态信息，规划车辆的行线并实施调整飞行参数；在无卫星定位信号的环境下，通过激光雷达进行环境感知，并利用Hector建图模块进行实时地图构建以实现无卫星定位信号环境下的自主导航。
10.根据权利要求9所述的基于ROS系统与PIXHAWK的多场景巡检方法，其特征在于，利用Hector建图模块进行实时地图构建的方法包括：
S1、初始地图创建：创建一个空的栅格地图，该地图用于存储环境的特征和障碍物信息；
S2、激光扫描匹配：通过激光雷达获取环境的扫描数据，使用扫描匹配技术将当前的激光扫描数据与先前的地图进行匹配，从而估计机器人的位置，匹配过程通过寻找最佳的旋转和平移变换，将激光扫描数据与地图上的特征匹配；
S3、地图更新：在进行扫描匹配后，根据匹配结果更新地图，已匹配的激光束将用于更新地图中对应栅格的属性，通过对匹配结果的处理，地图中的特征信息逐渐增加，同时更新机器人周围环境的障碍物信息；
S4、位置估计和粒子滤波：根据激光扫描匹配的结果，使用粒子滤波方法采样和更新机器人的位置概率分布，通过不断采样和更新，以获得机器人当前位置的概率分布，用于实时定位和建图；
S5、循环更新：以周期性的方式执行上述步骤，持续地接收激光扫描数据并更新地图，通过不断的扫描匹配和地图更新，以实时构建环境的二维地图。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310985874.6A Pending CN116901075A (zh) | 2023-08-07 | 2023-08-07 | 基于ros系统与pixhawk的多场景巡检机器人及巡检方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116901075A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117168469A (zh) * | 2023-11-03 | 2023-12-05 | 普达迪泰(成都)智造研究院有限公司 | 一种自由切换导航方式的组合导航方法及系统 |
-
2023
- 2023-08-07 CN CN202310985874.6A patent/CN116901075A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117168469A (zh) * | 2023-11-03 | 2023-12-05 | 普达迪泰(成都)智造研究院有限公司 | 一种自由切换导航方式的组合导航方法及系统 |
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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