CN210835730U

CN210835730U - 一种ros导盲机器人的控制装置

Info

Publication number: CN210835730U
Application number: CN201922301432.7U
Authority: CN
Inventors: 郭凯诚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2029-12-19

Abstract

本实用新型提出一种ROS导盲机器人的控制装置，包括核心控制器、图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置和控制终端，核心控制器内置Slam模块、导航模块和上位机驱动模块，Slam模块包括数据采集处理模块和建图模块，导航模块包括Amcl模块、Move_base模块和速度发送模块，Move_base模块包括全局路径导航模块和局部路径导航模块，控制终端包括下位机通讯模块、下位机控制模块、下位机驱动模块和下位机反馈模块。本控制装置适用于为视力障碍的人群提供导盲服务的机器人，保持原有ROS导航包的高精度定位和路径规划功能，并可应用于市场常见的控制终端，实现其导盲功能，并且提高ROS导航包的兼容性。

Description

一种ROS导盲机器人的控制装置

技术领域

本实用新型属于机器人智能导盲领域，尤其是一种ROS导盲机器人的控制装置。

背景技术

随着科学技术的发展及社会的进步，移动机器人技术得到了迅速的发展。目前，机器人的应用已经涉及卫生、医疗、导游、教育、娱乐、安保、日常生活等多个领域，适用于各种工作环境，甚至危险、肮脏和枯燥的场合等。近年来我国的视力障碍者数目不断增长，因此，研发出一款能够辅助视力障碍者行走的工具——导盲机器人是非常必要且迫切的。ROS(Robot Operating System)是一款新的机器人控制系统，它能为异质计算机集群提供类似操作系统的功能。如今随着功能包的扩充，ROS系统已经能够解决大多数机器人领域的问题。导盲机器人要实现在环境中自主运行，一个不容忽视的前提就是建立环境地图，并且能够随时在环境中完成自定位，也就是实时定位与地图创建。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种ROS导盲机器人的控制装置，解决视力障碍人群在日常生活中的行动问题以及现有ROS功能包兼容性差的问题。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种ROS导盲机器人的控制装置，安装在机器人上，包括核心控制器、图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置和控制终端，图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置和控制终端分别通过通讯模块与核心控制器连接，控制终端通过下位机通讯模块与机器人下位机连接，其中：核心控制器内置Slam模块、导航模块和上位机驱动模块，Slam模块、导航模块的的输入端均与图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置连接，Slam模块、导航模块的输出端均与上位机驱动模块连接，上位机驱动模块的输出端与控制终端连接；其中，Slam模块包括依次连接的数据采集处理模块和建图模块，所述数据采集处理模块包括与图像采集装置连接的图像数据处理模块、与激光雷达扫描装置连接的雷达扫描数据处理模块和与控制终端连接的下位机反馈数据接收模块，数据采集处理模块用于接收和处理图像采集装置、激光雷达扫描装置和机器人下位机的数据信号并发送至建图模块，建图模块用于根据前述数据信号进行建图；导航模块包括依次连接的Amcl模块、Move_base模块和速度发送模块，Amcl模块用于确定机器人的初始位置和方向，Move_base模块包括并列设置的全局路径导航模块和局部路径导航模块，共同用于规划行进路径，速度发送模块用于向上位机驱动模块发送行进速度；上位机驱动模块用于接收行进速度数据并转化为具体命令发送至控制终端；控制终端包括下位机通讯模块、下位机控制模块、下位机驱动模块和下位机反馈模块，下位机通讯模块、下位机控制模块、下位机驱动模块均与机器人下位机连接，下位机反馈模块与Slam模块的下位机反馈数据接收模块连接。

进一步的，本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置，所述通讯模块包括图像数据通讯模块、人机交互通讯模块、激光雷达通讯模块和控制终端通讯模块，其中，图像采集装置通过图像数据通讯模块与图像数据处理模块连接，人机交互设备通过人机交互通讯模块与Amcl模块连接，激光雷达扫描装置通过激光雷达通讯模块与雷达扫描数据处理模块连接，控制终端通过控制终端通讯模块与下位机反馈数据接收模块连接。

进一步的，本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置，人机交互设备包括操作模块、Slam可视化模块、导盲监控模块和警告报警模块，操作模块的输出端与人机交互通讯模块连接，人机交互通讯模块的输出端与Slam可视化模块、导盲监控模块和警告报警模块连接，所述Slam可视化模块用于建立可视化地图，导盲监控模块用于提示速度信息，警告报警模块用于对于各种紧急情况和引起机器人破坏的操作进行警告提醒。

进一步的，本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置，所述警告报警模块包括蜂鸣器。

进一步的，本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置，操作模块包括启动/停止开关、导航/建图选择开关、加速/减速开关。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置单独分出了上位机驱动模块和上位机通讯模块，速度指令先通过上位机驱动模块和上位机通讯模块对数据进行修改，得到控制终端所需求的数据格式，既不影响ROS导航包的基本功能，又能实现对多种控制终端的控制。本控制装置适用于为视力障碍的人群提供导盲服务的机器人，保持原有ROS导航包的高精度定位和路径规划功能，并可应用于市场常见的控制终端，实现其导盲功能，并且提高ROS导航包的兼容性。

附图说明

图1是本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置的整体结构示意图。

图2是本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置的人机交互设备结构示意图。

图3是本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置的建图功能原理图。

图4是本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置的导盲功能原理图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

一种ROS导盲机器人的控制装置，安装在机器人上，包括核心控制器、图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置和控制终端，图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置和控制终端分别通过通讯模块与核心控制器连接，控制终端通过下位机通讯模块与机器人下位机连接。

1)核心控制器内置Slam模块、导航模块和上位机驱动模块，Slam模块、导航模块的的输入端均与图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置连接，Slam模块、导航模块的输出端均与上位机驱动模块连接，上位机驱动模块的输出端与控制终端连接。

其中，Slam模块包括依次连接的数据采集处理模块和建图模块，所述数据采集处理模块包括与图像采集装置连接的图像数据处理模块、与激光雷达扫描装置连接的雷达扫描数据处理模块和与控制终端连接的下位机反馈数据接收模块，数据采集处理模块用于接收和处理图像采集装置、激光雷达扫描装置和机器人下位机的数据信号并发送至建图模块，建图模块用于根据前述数据信号进行分析，建立可视化地图。

导航模块包括依次连接的Amcl模块、Move_base模块和速度发送模块，Amcl模块用于确定机器人的初始位置和方向，Move_base模块包括并列设置的全局路径导航模块和局部路径导航模块，共同用于规划行进路径，速度发送模块用于向上位机驱动模块发送行进速度。

上位机驱动模块用于接收行进速度数据并转化为具体命令发送至控制终端。

2)人机交互设备包括操作模块、Slam可视化模块、导盲监控模块和警告报警模块，操作模块的输出端与人机交互通讯模块连接，人机交互通讯模块的输出端与Slam可视化模块、导盲监控模块和警告报警模块连接，所述操作模块主要实现对机器人的基本控制，Slam可视化模块用于建立可视化地图，导盲监控模块用于提示速度信息，警告报警模块用于对于各种紧急情况和引起机器人破坏的操作进行警告提醒。所述警告报警模块包括蜂鸣器。操作模块包括启动/停止开关、导航/建图选择开关、加速/减速开关。

3)控制终端包括下位机通讯模块、下位机控制模块、下位机驱动模块和下位机反馈模块，下位机通讯模块、下位机控制模块、下位机驱动模块均与机器人下位机连接，下位机反馈模块与Slam模块的下位机反馈数据接收模块连接。下位机通讯模块用于实现与核心控制器的信息通讯，下位机驱动模块用于对下位机通讯模块接收到的速度信息进行加工，成为可供实际机器人可用的驱动信息；下位机反馈模块将采集到的位置信息通过下位机通讯模块传输给下位机反馈数据接收模块。

4)通讯模块包括图像数据通讯模块、人机交互通讯模块、激光雷达通讯模块和控制终端通讯模块，其中，图像采集装置通过图像数据通讯模块与图像数据处理模块连接，人机交互设备通过人机交互通讯模块与Amcl模块连接，激光雷达扫描装置通过激光雷达通讯模块与雷达扫描数据处理模块连接，控制终端通过控制终端通讯模块与下位机反馈数据接收模块连接。

本实用新型的ROS导盲机器人的控制装置主要实现建图和导盲：

1、建图

搭建ROS移动机器人的硬件平台：移动机器人的底部设置有运动控制模块，移动机器人的上部固定有传感器，移动机器人的中部设有控制器和无线通信模块，控制器上安装ROS系统，运动控制模块、传感器和无线通信模块均与控制器相连接，无线通信模块和上位机相连接。

将ROS移动机器人设置在待检测的室内，利用激光雷达扫描室内环境，利用传感器中的里程计采集移动机器人的位置信息和方向信息，ROS移动机器人通过方波路径探索室内环境，上位机通过通信模块实施获取激光雷达的扫描信息，上位机中的ROS系统利用构建地图功能包构建栅格地图。

将建立好的栅格地图导入ROS移动机器人的ROS系统中，使用构建的栅格地图导航机器人到地图内的指定位置，视觉传感器基于Kalman滤波方法与MeanShift跟踪方法实现目标的跟踪。

2、导盲

上位机使用rviz可视化工具，运行激光雷达的rplidar_amcl.launch启动文件，使用map_file或在.bashrc文件的TURTLEBOT_MAP_FILE环境变量中，将构建的栅格地图导入ROS移动机器人；在栅格地图内，机器人进行二维位姿估计时，设置机器人的初始位姿方向，机器人开始进行旋转，旋转到设定的方向后，停止旋转；指定机器人在实际环境中的方向，使用二维目标导航设定机器人的导航位姿；当设定导航目标后，机器开始规划路径，路径规划完成后，机器人开始沿着规划的路径朝目标移动，通过人工势场避障方法避开障碍物，机器人到达目标位置后，停止移动，并旋转到目标位姿方向后，停止旋转，到达栅格地图内的指定位置。

所述激光雷达模块利用实时目标跟踪节点实现目标跟随。对Kalman滤波的状态转移矩阵A、观测矩阵H、过程噪声协方差矩阵Q、测量噪声协方差矩阵R和状态误差协方差矩阵P参数进行初始化，建立Kalman跟踪对象参数；根据前一帧的目标状态位置，使用目标的跟踪状态：X(k/k-1)＝AX(k-1/k-1)进行Kalman预测，得到目标在当前帧中的位置(x1，y1)，更新状态误差协方差P(k/k-1)；其中，X(k/k-1)为使用k-1时刻状态对k时刻状态进行预测的结果，X(k-1/k-1)为k-1时刻的最优结果；其中，X(k)为k时刻系统的状态，(x(k-1)，y(k-1))为k-1时刻目标的位置，移动速度分别为vx(k-1)和vy(k-1)；使用前一帧的窗口宽度w和高度h，并将预测的当前帧的位置(x1，y1)作为窗口的中心，结合MeanShift跟踪方法得到目标在当前帧中的实际位置(x2，y2)；使用目标在当前帧中的实际位置(x2，y2)，根据目标的测量方程Z(k)＝HX(k)+V(k)计算Kalman滤波器的观测值，计算卡尔曼增益K(k)＝P(k/k-1)H'[HP(k/k-1)H'+R]-1，经过Kalman状态更新校正X(k/k)＝X(k/k-1)+K(k)(Z(k)-HX(k/k-1))，得到目标的位置(x3，y3)作为目标的准确位置，同时更新状态误差协方差矩阵P(k/k)＝(1-K(k)H)P(k/k-1)，其中，P(k/k-1)是k-1时刻对k时刻的状态误差协方差的预测值：P(k/k-1)＝AP(k-1/k-1)A'+Q。

3、兼容性提高

本装置单独分出了上位机驱动模块和上位机通讯模块，Move_base模块发送的速度指令就会先通过上位机驱动模块和上位机通讯模块对数据进行修改，得到控制终端所需求的数据格式，而又不影响ROS导航包的基本功能，又能实现对多种控制终端的控制。从而提高ROS导航包对不同控制终端的兼容性。

将本控制装置放置在一个新开辟的工作空间中，通过人机交互界面输入指令进入建图模式，同时通过操纵模块对机器人进行控制，实现对目标环境图像信息和位移信息以及激光雷达扫描信息的获取和采集，并在rviz可视化界面进行地图的绘制，并存储在工作空间中。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种ROS导盲机器人的控制装置，安装在机器人上，其特征在于，包括核心控制器、图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置和控制终端，图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置和控制终端分别通过通讯模块与核心控制器连接，控制终端通过下位机通讯模块与机器人下位机连接，其中：

核心控制器内置Slam模块、导航模块和上位机驱动模块，Slam模块、导航模块的输入端均与图像采集装置、人机交互设备、激光雷达扫描装置连接，Slam模块、导航模块的输出端均与上位机驱动模块连接，上位机驱动模块的输出端与控制终端连接；

其中，Slam模块包括依次连接的数据采集处理模块和建图模块，所述数据采集处理模块包括与图像采集装置连接的图像数据处理模块、与激光雷达扫描装置连接的雷达扫描数据处理模块和与控制终端连接的下位机反馈数据接收模块，数据采集处理模块用于接收和处理图像采集装置、激光雷达扫描装置和机器人下位机的数据信号并发送至建图模块，建图模块用于根据前述数据信号进行建图；

导航模块包括依次连接的Amcl模块、Move_base模块和速度发送模块，Amcl模块用于确定机器人的初始位置和方向，Move_base模块包括并列设置的全局路径导航模块和局部路径导航模块，共同用于规划行进路径，速度发送模块用于向上位机驱动模块发送行进速度；

上位机驱动模块用于接收行进速度数据并转化为具体命令发送至控制终端；

控制终端包括下位机通讯模块、下位机控制模块、下位机驱动模块和下位机反馈模块，下位机通讯模块、下位机控制模块、下位机驱动模块均与机器人下位机连接，下位机反馈模块与Slam模块的下位机反馈数据接收模块连接。

2.根据权利要求1所述的ROS导盲机器人的控制装置，其特征在于，所述通讯模块包括图像数据通讯模块、人机交互通讯模块、激光雷达通讯模块和控制终端通讯模块，其中，图像采集装置通过图像数据通讯模块与图像数据处理模块连接，人机交互设备通过人机交互通讯模块与Amcl模块连接，激光雷达扫描装置通过激光雷达通讯模块与雷达扫描数据处理模块连接，控制终端通过控制终端通讯模块与下位机反馈数据接收模块连接。

3.根据权利要求2所述的ROS导盲机器人的控制装置，其特征在于，人机交互设备包括操作模块、Slam可视化模块、导盲监控模块和警告报警模块，操作模块的输出端与人机交互通讯模块连接，人机交互通讯模块的输出端与Slam可视化模块、导盲监控模块和警告报警模块连接，所述Slam可视化模块用于建立可视化地图，导盲监控模块用于提示速度信息，警告报警模块用于对于各种紧急情况和引起机器人破坏的操作进行警告提醒。

4.根据权利要求3所述的ROS导盲机器人的控制装置，其特征在于，所述警告报警模块包括蜂鸣器。

5.根据权利要求3所述的ROS导盲机器人的控制装置，其特征在于，操作模块包括启动/停止开关、导航/建图选择开关、加速/减速开关。