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一、產(chǎn)品概述
機(jī)器人是綜合自動控制、微電子、信息技術(shù)、以及機(jī)械結(jié)構(gòu)于一體的等多學(xué)科交叉的綜合產(chǎn)物。隨著近年來現(xiàn)代工業(yè)、服務(wù)業(yè)的智能化產(chǎn)業(yè)不斷升級，以移動機(jī)器人為載體的智能控制、傳感器融合、信息處理以及協(xié)同作業(yè)發(fā)展迅速，正逐步成為高端智能化研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。本產(chǎn)品以移動機(jī)器人為載體，以機(jī)械手臂為車載執(zhí)行單元，并配置視覺、激光雷達(dá)、運(yùn)動、語音、超聲波等各類傳感器，使得機(jī)器人具備環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、智能控制、移動抓取、物流輸送等多重功能。通過對該系統(tǒng)的應(yīng)用與操作，可以幫助學(xué)生掌握基于人工智能技術(shù)的機(jī)器人運(yùn)動控制、傳感器感知、機(jī)械臂和機(jī)器人協(xié)同控制、視覺巡檢等領(lǐng)域的相關(guān)知識與實(shí)踐方法。
二、產(chǎn)品功能和特點(diǎn)
1.ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)
ROS（Robot Operating System）是一個適用于機(jī)器人的開源操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了包括硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用函數(shù)的實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程間消息傳遞等系統(tǒng)級服務(wù)，可為機(jī)器人應(yīng)用和開發(fā)提供極具開放性和拓展性的支持。
2.移動機(jī)器人姿態(tài)控制
機(jī)器人內(nèi)置陀螺儀、加速度計等，可實(shí)時采集機(jī)器人的速度、位置以及航向角、俯仰角等姿態(tài)數(shù)據(jù)，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對自身狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整。
3.激光SLAM建圖與導(dǎo)航
采用高精度激光雷達(dá)，通過每秒8000次的激光測距，為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)半徑12米內(nèi)的環(huán)境感知，從而構(gòu)建實(shí)時精準(zhǔn)的地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
4.AI+物流搬運(yùn)
依托激光雷達(dá)，預(yù)先建立室內(nèi)地圖，通過移動機(jī)器人、機(jī)械手臂與視覺系統(tǒng)三者結(jié)合，使得機(jī)器人可以自主完成將物體在多點(diǎn)之間搬運(yùn)的功能。
三、主要硬件參數(shù)
1.系統(tǒng)性能
系統(tǒng)采用運(yùn)動控制處理器與中央處理器構(gòu)建雙處理器模塊，完成小車任務(wù)規(guī)劃與系統(tǒng)運(yùn)動控制。內(nèi)置Ubuntu操作系統(tǒng)，通過ROS有效完成對機(jī)器人的多任務(wù)進(jìn)行實(shí)時管理，同時提供通信、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互以及外圍傳感器拓展的接口。
2.運(yùn)動控制模塊
在機(jī)器人中用到很多控制器和外設(shè),包括：處理器、激光雷達(dá)，STM32控制器，電機(jī)、編碼器、雙路驅(qū)動、藍(lán)牙、PS2有線手柄、航模遙控、陀螺儀等，同時提供了串口1和CAN接口方便用戶拓展控制。
3.ROS操作系統(tǒng)
ROS操作系統(tǒng)內(nèi)置于中央處理器內(nèi)，通過RTOS完成系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度與管理。具體任務(wù)調(diào)度管理流程如圖所示。RTOS任務(wù)調(diào)度器根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級決定任務(wù)的執(zhí)行順序，每個任務(wù)執(zhí)行的時間很短，因此幾乎等效于所有任務(wù)同時執(zhí)行，期間如果發(fā)生中斷則去響應(yīng)中斷。串口2中斷用于APP藍(lán)牙控制，串口3中斷用于接收ROS傳過來的信息。
4.激光雷達(dá)和SLAM建圖
激光雷達(dá)是一種采用非接觸激光測距技術(shù)的掃描式傳感器，通過發(fā)射激光光束來探測目標(biāo)，并通過搜集反射回來的光束來形成點(diǎn)云和獲取數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)光電處理后可生成為精確的三維立體圖像，能夠準(zhǔn)確的獲取高精度的物理空間環(huán)境信息，測距精度可達(dá)厘米級；它猶如一雙“眼睛”，讓機(jī)器人擁有實(shí)時感知環(huán)境的能力。
本系統(tǒng)采用國產(chǎn)激光雷達(dá)，為機(jī)器人完成測量半徑12米內(nèi)的環(huán)境感知，雷達(dá)通過每秒8000次激光測距，可提供實(shí)時精準(zhǔn)的地圖構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)采用光磁融合技術(shù)徹底解決了傳統(tǒng)激光雷達(dá)因物理接觸磨損導(dǎo)致電氣連接失效、激光雷達(dá)壽命短的問題。
5.視覺感知系統(tǒng)
視覺感知系統(tǒng)采用一顆200萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像頭，可兼容ubuntu，linux和樹莓派等操作系統(tǒng)。與移動機(jī)器人協(xié)同使用時，可實(shí)現(xiàn)對視野中的環(huán)境信息的成像、分析和判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果對機(jī)器人的動作進(jìn)行引導(dǎo)，如減速、轉(zhuǎn)向、直行等，從而完成多種豐富的功能。
6.機(jī)械手臂
通過機(jī)械手臂的參與，可使得移動機(jī)器人在環(huán)境中運(yùn)動的同時，還可以實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的交互，如目標(biāo)抓取、物流搬運(yùn)等。
7.車載處理單元
車載處理單元采用NVIDIA公司的Jetson Nano處理器，該處理器作為實(shí)驗箱的核心模塊，預(yù)裝Linux操作系統(tǒng)，部署所有智能產(chǎn)品模塊所需的全部軟件框架和SDK，并提供通用的通訊接口。
四、實(shí)驗項目
1、ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)
（1）ROS簡介
（2）Linux系統(tǒng)與代碼操作
（3）ROS功能包的創(chuàng)建及編譯
（4）ROS的launch文件演示
（5）ROS話題通訊
（6）ROS服務(wù)通訊
（7）ROS參數(shù)服務(wù)器
（8）ROS激光雷達(dá)認(rèn)識
（9）ROS導(dǎo)航的概念
（10）激光雷達(dá)SLAM建圖
（11）ROS導(dǎo)航Navigation使用
2、移動機(jī)器人運(yùn)動控制
（1）移動機(jī)器人認(rèn)知
（2）ROS操作系統(tǒng)配置實(shí)驗
（3）移動機(jī)器人基礎(chǔ)操作實(shí)驗
（4）激光雷達(dá)跟隨運(yùn)動目標(biāo)實(shí)驗
（5）激光雷達(dá)SLAM建圖實(shí)驗
（6）激光雷達(dá)SLAM導(dǎo)航實(shí)驗
（7）利用陀螺儀進(jìn)行上下坡輔助實(shí)驗
（8）視覺跟隨實(shí)驗
（9）交通標(biāo)志識別實(shí)驗
（10）移動機(jī)器人自動導(dǎo)航實(shí)驗
（11）手勢控制移動機(jī)器人運(yùn)動實(shí)驗
（12）語音控制移動機(jī)器人運(yùn)動實(shí)驗
（13）移動機(jī)器人超聲波避障實(shí)驗
3、基于視覺的機(jī)器人物流搬運(yùn)
（1）機(jī)械臂認(rèn)知和基礎(chǔ)操作
（2）機(jī)械臂示教和運(yùn)動控制
（3）機(jī)械臂與視覺系統(tǒng)標(biāo)定
（4）基于視覺的機(jī)械臂目標(biāo)分類
（5）基于視覺的機(jī)械臂垃圾分揀
（6）基于視覺的機(jī)器人物流輸送
五、綜合實(shí)訓(xùn)項目
1.機(jī)械臂的控制
機(jī)械臂主要由五路舵機(jī)和金屬結(jié)構(gòu)組成，通過對單個或多個舵機(jī)進(jìn)行控制，運(yùn)動到指定角度，即實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制。機(jī)械臂安裝于底座上方，可在底座舵機(jī)的驅(qū)動下進(jìn)行180°的旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂自身可在空間中執(zhí)行任意點(diǎn)的運(yùn)動，同時，機(jī)械臂自帶有夾爪，可完成對指定物體的抓取。實(shí)訓(xùn)中，通過對舵機(jī)和夾爪的控制，可操作機(jī)械臂完成各種豐富的動作。
2.機(jī)器人視覺移動抓取
針對智慧物流的場景，機(jī)器人運(yùn)動到指定坐標(biāo)后，通過車載處理單元向視覺系統(tǒng)發(fā)送指令，如識別視野中的紅色目標(biāo)，視覺系統(tǒng)根據(jù)該信息，對當(dāng)前視野中的物體進(jìn)行圖像采集，識別其中具備紅色特征的物體，并控制機(jī)械臂對該物體完成抓取，隨后，機(jī)器人運(yùn)動，將該物體搬運(yùn)到指定目的地。
3.機(jī)器人姿態(tài)控制實(shí)踐
采用機(jī)器人配置的超聲波傳感器、聲音檢測傳感器、運(yùn)動傳感器等，實(shí)時感知障礙物或者追蹤對象，并將感知結(jié)果反饋給主控單元，進(jìn)而控制運(yùn)動部件的運(yùn)動，如跟隨熱源運(yùn)動、按照聲音指令運(yùn)動等。通過車載的陀螺儀，監(jiān)測機(jī)器人的姿態(tài)，當(dāng)機(jī)器人在上下坡時，通過陀螺儀的監(jiān)測結(jié)果，控制機(jī)器人執(zhí)行上下坡減速、駐車的動作。
