RoboCup實(shí)物救援機(jī)器人研究——基于ROS的機(jī)器人本地控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、RoboCup Rescue是一個(gè)研究和展示先進(jìn)機(jī)器人災(zāi)后搜救技術(shù)的國(guó)際性機(jī)器人競(jìng)賽平臺(tái)，每年比賽規(guī)則均會(huì)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以逼近真實(shí)的災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)情況及環(huán)境。2016年德國(guó)萊比錫RoboCup Rescue國(guó)際比賽規(guī)則采用了美國(guó)DHS-NIST-ASTM機(jī)器人國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，預(yù)示著以后救援機(jī)器人功能趨向于模塊化及靈活可擴(kuò)展方向。因此研究一種功能模塊化及可擴(kuò)展的機(jī)器人本地控制系統(tǒng)有重要的意義。
　　本文根據(jù)當(dāng)前救援機(jī)器人的總體需求，

2、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ROS的救援機(jī)器人本地控制系統(tǒng)。
　　論文首先介紹了救援機(jī)器人及其本地控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀，根據(jù)2016年RoboCup Rescue比賽規(guī)則要求，對(duì)救援機(jī)器人本地控制系統(tǒng)進(jìn)行了功能需求分析，設(shè)計(jì)了模塊化、可擴(kuò)展的分布式軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中硬件主控單元為PC/104工控機(jī)，其通過(guò)CAN總線與底層電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信、通過(guò)USB總線與各傳感器模塊通信、通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與視頻服務(wù)器模塊實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)組網(wǎng);在主控單元上運(yùn)行的系

3、統(tǒng)平臺(tái)為基于ROS的Linux/Xenomai混合操作系統(tǒng)，各軟件模塊以分布式結(jié)構(gòu)運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上。
　　本文采用無(wú)刷直流電機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行器，在分析無(wú)刷直流電機(jī)基本控制理論和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款可滿足救援機(jī)器人各關(guān)節(jié)電機(jī)位置控制和速度控制模式的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中主控制器采用Freescale微控制器MKV11Z128VLF7，驅(qū)動(dòng)電路采用Infmeon智能功率模塊IGCM15F60GA，通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法獲

4、取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)及速度，編碼器獲取電機(jī)位置，并設(shè)計(jì)了CAN總線接口，便于機(jī)器人上多關(guān)節(jié)電機(jī)的部署與控制。
　　本文為救援機(jī)器人本地控制系統(tǒng)提出一種既能滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)性，又能滿足系統(tǒng)中多傳感器信息采集的軟件系統(tǒng)——基于ROS的混合操作系統(tǒng)，其在普通Linux系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過(guò)Adeos/I-pipe硬件抽象層實(shí)現(xiàn)了Xenomai實(shí)時(shí)系統(tǒng)的移植，構(gòu)成Linux/Xenomai混合操作系統(tǒng);然后分別在雙內(nèi)核上部署ROS，其中Xe

5、nomai上部署ROS通過(guò)Orocos軟件框架及ROS包rtt_ros_integration實(shí)現(xiàn)。利用ROS中豐富的傳感器驅(qū)動(dòng)軟件包及統(tǒng)一時(shí)鐘通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了包括激光、熱成像儀、CO2、深度攝像頭等傳感器在機(jī)器人上的信息采集與數(shù)據(jù)的同步功能，以非實(shí)時(shí)ROS節(jié)點(diǎn)運(yùn)行于Linux內(nèi)核上;AHRS傳感器數(shù)據(jù)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，為運(yùn)行于Xenomai實(shí)時(shí)內(nèi)核上的實(shí)時(shí)ROS節(jié)點(diǎn)。在使用D-H法對(duì)6自由度機(jī)械臂進(jìn)行正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用