一种自动规划路径AGV机器人的设计.docx

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一种自动规划路径AGV机器人的设计

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赵连强柳国良李鹏远

关键词：AGV;路径规划;建图;环境

本系统采用树莓派4B处理器为主控制芯片，利用惯性测量单元（IMU）、轮式编码器以及激光雷达作为导航数据源，进行了相关的硬件设计。软件部分基于机器人开源操作系统（RobotOperatingSystem，ROS）平台，对机器人的环境建模和路径规划进行了研究。主要完成基于ROS的移动机器人平台构建、基于多传感器信息融合的HectorSLAM环境地图创建、基于A*算法和行为动力学方法的路径规划研究、基于ROS的移动机器人导航实验等。

一、硬件結构

（一）控制器

机器人控制器采用树莓派4B，运行UbuntuMate或Raspbian系统，安装ROS机器人操作系统，作为机器人端ROS节点控制器。硬件组成框架图如下：

树莓派4B对比3B+升级明显，主要功能包括高性能Cortex-A7264位四核处理器，2路micro-HDMI端口支持分辨率高达4K的双显示屏，高达4KP60的硬件视频解码及4GB的RAM，双频2.4/5.0GHz无线局域网，蓝牙5.0，千兆以太网，USB3.0和POE功能（通过单独的POEHAT插件）。

树莓派主要负责获取激光雷达、IMU等传感器数据并发布相应话题来供虚拟机订阅，并订阅虚拟机发出的速度信号控制小车移动。

（二）电源供电

该机器人的电源为电池模块，由两块锂离子电池组成，内置电池保护板。一块8.4V2400mAh给树莓派、激光雷达、IMU、编码器供电，一块12V6000mAh给减速电机供电。

（三）通信链路

Ros机器人主机以50ms为周期发布速度、位置等控制信息，树莓派接收速度控制信号并将采集到减速电机的位置信息发布出去。

（四）电机参数

工作电压：12V。

额定功率：4W。

额定电流：0.36A。

堵转电流：3.2A。

减速比：1：30。

减速后空载转速：366±26RPM。

额定扭矩：1KG·CM。

该电机全金属减速箱，可靠性更高。

（五）传感器

激光雷达：激光雷达是以发射激光束来探测目标位置、速度等特征参数的雷达系统。雷达向目标发射激光束，将接收到的目标回波与发射信号进行比较，作适当处理后，可获得目标的相关参数，如目标方位、距离、高度、速度、姿态以及形状等，从而对周围的物体进行识别。

机器人上的激光雷达可以感知环境二维平面的深度信息。程序可以通过环境深度信息来判断障碍物距离小车的远近借此来达到避障的目的。Ros中的slam开源包gmapping可以通过获取激光雷达的数据对周围环境建立地图。通过对激光雷达数据的处理，可以实现对机器人的定位、计算机器人所在二维平面的姿态、计算机器人的速度等。

本机器人用的LDSl.5激光雷达是地面移动机器人常用的一种传感器，其工作原理是用一个高速旋转的激光测距探头将周围360。的障碍物分布状况测量出来，形成障碍物轮廓的俯视二维点阵输入ROS系统里。

供电电压：5V。

测量距离：120～3500mm。

扫描频率：1.8kHZ。

扫描角度：360°。

分辨率：1°。

陀螺仪和加速度计：IMUMPU6050分别为陀螺仪和加速度计提供了三个16位的ADC，将被检测的模拟量转化为可输出数字量。传感器的测量范围是用户可控的，陀螺仪的可测范围为±250，±500，±1000，±2000。/秒（dps），加速度计的可测范围为±2，±4，±8，±16g，可以精确跟踪快速和慢速的运动。通过对加速度计积分可以计算车速，对角速度积分可以计算小车的欧拉角。角速度积分算出的俯仰角、翻滚角可以通过重力加速度在车模x，y，z轴的分量来辅助校正。IMU在小车上可以比较精确地感知小车当前的状态。

二、建图导航算法

（一）ROS的通信机制

ROS系统中的通信方式有三种，分别为话题（msg）、服务（SYV）和动作（action），其中话题属于基本的发布/订阅通信方式，适用于单个节点发布消息，一个或多个节点接受消息的情况;服务属于实时获取结果的情况，应用于请求/响应式的应用环境，适用于基本功能的调用或者状态的查看。

ROS是一种分布式软件框架，节点可以运行在不同的计算平台上，节点之间以松耦合的方式进行组合，通过Topic、Service进行通信。ROS的分布式十分强大，在不同计算机上运行不同的节点就如同在一台计算机上运行。

（二）SLAM建图

SIAM按传感器分类可以分为两大类：视觉SLAM和激光SLAM。视觉SLAM对环境有较高要求，需要环境有丰富的纹理，且计算量大。视觉SLAM在重定位和场景区分上有着极大优势。激光SLAM对环境要求较低，计算量小，且激光雷达本身带有几何信息，建立出来的地图更直观精确。本次我们采用的是激光SLAM。

Gmapping是应用最为广泛的2Dsla