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移动机器人协作建图系统设计与实现

2023-11-08 53 上传者：管理员

摘要：对未知的环境进行有效的探索是移动机器人领域最重要的问题之一。针对准确建立未知环境地图的问题，本文设计了基于机器人操作系统的多机器人协作建图系统。首先介绍了多机器人协作建图系统总体框架，并根据功能需求分别进行方案设计，最后打通了两个功能系统的通信，实现预期功能。通过仿真实验对设计的系统进行验证，证实了该系统设计的可行性，为多机器人协作作业提供了重要条件，具有较强的实用性。

关键词：
协作
建图
数据交互
移动机器人
系统设计
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1、引言

协作机器人是指在某一共同空间下，距离较近的多个机器人以数据交互的方式实现作业。如今，协作机器人被广泛应用在目标追踪、运输任务上、搜救、体育、监视等方面[1,2,3,4,5,6,7,8]。然而，在未知的环境中进行有效的环境探索是移动机器人研究领域最重要的问题之一，也是协作机器人执行其他任务的前提[9]。

机器人协作建图是指通过多个机器人构建的局部地图通以地图融合的方法形成全局地图[10,11]。本文设计了移动机器人协作建图系统，采用分布式机器人协作方式，在同步定位建图过程中实现地图融合[12]，使机器人建图更为准确和高效。同时设计实现人机交互的功能，便利了人为操作。

2、系统总体架构

系统总体架构考虑了设备功能和人机交互功能两方面，不仅可以扩大机器人系统应用范围[13]，而且实现了操作人对多个机器人的监督。在决策过程中引入人在回路控制[14]，保证建图的准确性。系统框架采用分层架构设计，具体技术路线如图1所示。

图1 技术路线总体框架图

系统设计分层的实现方式，各个层的功能如下：设备层是机器人以及配备的传感器硬件；设备操作层是机器人承载的软件环境；设备服务层是软硬件结合实现的功能需求；应用服务层考虑机器人管理平台的后端设计；门户层是为操作员提供监控Web前端。最后，根据层层之间的关系，归结为两个子系统实现：机器人管理平台和机器人协作建图。其中，管理平台实现了为操作员对机器人监控的功能，机器人协作建图实现了多机器人对未知环境探索的功能。架构如图2所示。

图2 分布式多机器人协作建图系统架构图

3、机器人协作建图设计

3.1 需求分析

机器人协作建图的实现功能主要是对未知环境的快速探索。首先，通过各个机器人对于周围环境的探索，建立局部地图。其次，机器人间进行通信，共享地图信息，通过地图融合的算法，将多个局部地图融合成全局地图。最后，鉴于和机器人管理平台的通信，将地图信息发出。因此，本系统设计机器人需具备以下内容：地图融合模块与通信模块。

3.2 地图融合模块设计

地图融合模块设计采用基于计算机视觉的方式来实现。通过提取各个局部地图的特征，然后为特征建立特征描述符，最后利用特征描述符进行特征匹配，求得旋转变换矩阵，从而实现地图融合的内容。

3.3 通信模块设计

ROS(Robot Operation System）是机器人领域的研究学者们为了解决异构机器人不能实现代码复用而提出的机器人操作系统。其整个网络是一种松耦合的点对点基础网络。通过Topic进行节点与节点的消息传递，如图3所示。ROS2采用了全新的架构设计，满足现代机器人系统的实时性、安全性、标准性和可靠性等要求。

图3 ROS节点通信图

由于ROS中要设置一个固定的主机作为与非ROS环境进行交互[15]，限制了多机器人系统的灵活性。为了解决这一问题，本系统设计在ROS2的机器人上实现非ROS环境与ROS环境的数据交互，提高了多机器人协作建图的灵活性。具体设计思路如图4所示。

图4 通信模块设计图

4、机器人管理平台设计

机器人管理平台主要功能是实现人机交互，满足使用者对机器人的监控需求。本文选择采用Spring Boot作为平台搭建的框架。Spring Boot框架实现了自动化配置，用户通过简单配置，就可以实现相应的功能，对于B/S的模式开发比较适合。为了方便代码的移植性，选择了前后端不分离的模式。其实现流程见图5。

图5 平台工作流程图

其功能实现逻辑可以概述为以下几个方面：

(1）作为平台搭建的核心内容，首先是建立后端与ROS的通信，采用的是Websocket的方式和ROSbridge协议。

(2）平台是为了给监控机器人的用户提供便捷，因此需要能够对信息进行存储。主要存储的数据包括用户信息和设备信息。用户信息为当前在平台注册用户的信息，如IP地址、用户名、系统操作权限等。其次，设备信息是指当前平台管理的机器人类型，包括机器人IP、型号和传感器等。

(3）监控设备页面实现。前端最为直观的是用户操作界面，用户通过控件实现对机器人的监控。因此，设计实现前端和后端的通信。前端触发的控件将消息传递给后端，后端接收命令，最后通过Websocket协议将命令发送给ROS机器人。

5、实验内容

5.1 测试环境

设计仿真实验对系统的可行性进行验证。在linux系统和windows系统下分别对机器人协作建图和机器人管理平台进行部署，其中实验的环境配置分别记录在表1和表2中。

5.2 测试结果

在linux系统中设计仿真实验，利用gazebo建立多个仿真机器人turtlebot3以及探索环境。展示如图6所示。

在windows系统中搭建平台内容，运行程序。通过访问本地IP和端口进入登录页面，见图7。

用户进入设备管理界面，如图8所示。机型管理可以对设备信息进行登记，并通过如图9所示的在线机器人设备内容找到对应的设备信息，点击控制，得到监控页面。