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一、產品概述
機器人是綜合自動控制、微電子、信息技術、以及機械結構于一體的多學科交叉的綜合產物。隨著近年來現(xiàn)代工業(yè)、服務業(yè)的智能化產業(yè)不斷升級，以移動機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與難點。本產品以移動機器人為載體，配置視覺、激光雷達、語音、運動、超聲波等各類傳感器，使得機器人具備環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、智能控制等多重功能。通過對該系統(tǒng)的應用與操作，可以幫助學生掌握機器人運動控制、姿態(tài)控制、傳感器感知、自主決策等領域的相關知識與實踐方法。
二、產品功能和特點
1.ROS機器人操作系統(tǒng)
ROS（Robot Operating System）是一個適用于機器人的開源操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了包括硬件抽象、底層設備控制、常用函數的實現(xiàn)、進程間消息傳遞等系統(tǒng)級服務，可為機器人應用和開發(fā)提供極具開放性和拓展性的支持。
2.移動機器人姿態(tài)控制
機器人內置陀螺儀、加速度計等，可實時采集機器人的速度、位置以及航向角、俯仰角等姿態(tài)數據，并據此實現(xiàn)對自身狀態(tài)的實時監(jiān)測和調整。
3.激光SLAM建圖與導航
采用高精度激光雷達，通過每秒8000次的激光測距，為機器人實現(xiàn)半徑12米內的環(huán)境感知，從而構建實時精準的地圖基礎數據。
4.多傳感器環(huán)境感知
內置標準通訊協(xié)議，為視覺、語音、超聲波傳感器、運動傳感器等多種感知單元提供統(tǒng)一的接口，從而構建多源信息綜合處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對機器人自身和環(huán)境狀態(tài)的全方位感知。
三、主要硬件參數
1.系統(tǒng)性能
系統(tǒng)采用運動控制處理器與中央處理器構建雙處理器模塊，完成小車任務規(guī)劃與系統(tǒng)運動控制。內置Ubuntu操作系統(tǒng)，通過ROS有效完成對機器人的多任務進行實時管理，同時提供通信、數據采集、人機交互以及外圍傳感器拓展的接口。
2.運動控制模塊
在機器人中用到很多控制器和外設,包括：處理器、激光雷達，STM32控制器，電機、編碼器、雙路驅動、藍牙、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)內置于中央處理器內，通過RTOS完成系統(tǒng)任務調度與管理。具體任務調度管理流程如圖所示。RTOS任務調度器根據任務的優(yōu)先級決定任務的執(zhí)行順序，每個任務執(zhí)行的時間很短，因此幾乎等效于所有任務同時執(zhí)行，期間如果發(fā)生中斷則去響應中斷。串口2中斷用于APP藍牙控制，串口3中斷用于接收ROS傳過來的信息。
4.激光雷達和SLAM建圖
激光雷達是一種采用非接觸激光測距技術的掃描式傳感器，通過發(fā)射激光光束來探測目標，并通過搜集反射回來的光束來形成點云和獲取數據。這些數據經光電處理后可生成為精確的三維立體圖像，能夠準確的獲取高精度的物理空間環(huán)境信息，測距精度可達厘米級；它猶如一雙“眼睛”，讓機器人擁有實時感知環(huán)境的能力。
本系統(tǒng)采用國產激光雷達，為機器人完成測量半徑12米內的環(huán)境感知，雷達通過每秒8000次激光測距，可提供實時精準的地圖構建基礎數據。此外，系統(tǒng)采用光磁融合技術徹底解決了傳統(tǒng)激光雷達因物理接觸磨損導致電氣連接失效、激光雷達壽命短的問題。
5.視覺識別系統(tǒng)
視覺識別系統(tǒng)采用一顆200萬像素網絡攝像頭，可兼容ubuntu，linux和樹莓派等操作系統(tǒng)。與移動機器人協(xié)同使用時，可實現(xiàn)對視野中的環(huán)境信息的成像、分析和判斷，并根據判斷結果對機器人的動作進行引導，如減速、轉向、直行等，從而完成多種豐富的功能。
6.姿態(tài)與環(huán)境傳感系統(tǒng)
姿態(tài)與環(huán)境傳感系統(tǒng)主要由陀螺儀、超聲波傳感器、行人檢測傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、聲音檢測傳感器、光線檢測傳感器等組成。每一個傳感器均可與車載處理終端連接，根據用戶編輯的功能執(zhí)行相應的動作。
7.車載處理單元
車載處理單元采用NVIDIA公司的Jetson Nano處理器，該處理器作為移動機器人的核心模塊，預裝Linux操作系統(tǒng)，部署所有智能產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、實驗項目
1、ROS機器人操作系統(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服務通訊
（7）ROS參數服務器
（8）ROS激光雷達認識
（9）ROS導航的概念
（10）激光雷達SLAM建圖
（11）ROS導航Navigation使用
2、移動機器人運動控制
（1）移動機器人認知
（2）ROS操作系統(tǒng)配置實驗
（3）移動機器人基礎操作實驗
（4）激光雷達跟隨運動目標實驗
（5）激光雷達SLAM建圖實驗
（6）激光雷達SLAM導航實驗
（7）利用陀螺儀進行上下坡輔助實驗
（8）視覺跟隨實驗
（9）交通標志識別實驗
（10）移動機器人自動導航實驗
（11）手勢控制移動機器人運動實驗
（12）語音控制移動機器人運動實驗
（13）移動機器人超聲波避障實驗
3、移動機器人傳感器感知
（1）智能傳感系統(tǒng)認知
（2）Arduino編程環(huán)境的搭建
（3）OLED顯示
（4）溫濕度檢測
（5）氣壓檢測
（6）聲音檢測
（7）光照檢測
（8）人體雷達檢測
（9）超聲波測距儀
五、綜合實訓項目
1.機器人姿態(tài)控制實踐
采用機器人配置的超聲波傳感器、聲音檢測傳感器等，實時感知障礙物或者追蹤對象，并將感知結果反饋給主控單元，進而控制運動部件的運動，如跟隨熱源運動、按照聲音指令運動等。通過車載的陀螺儀，監(jiān)測機器人的姿態(tài)，當機器人在上下坡時，通過陀螺儀的監(jiān)測結果，控制機器人執(zhí)行上下坡減速、駐車的動作。
2.采用視覺進行顏色或運動目標追蹤
機器人配置可見光視覺成像系統(tǒng)和行人檢測傳感器，可以實現(xiàn)對前方靜態(tài)物體的識別、分析，以及運動目標的檢測。通過在機器人控制系統(tǒng)中定義需要追蹤物體的特征，比如顏色、形狀大小，采用視覺系統(tǒng)進行識別，判斷該目標相對于機器人的位置，控制機器人轉向、前進或后退，實現(xiàn)機器人顏色或運動目標追蹤的功能。
3.車輛定位與導航
車輛在行駛時，攝像頭完成對如左轉、右轉、直行、紅綠燈等各類交通標識的實時圖像采集，并進行準確識別，車載處理單元根據交通標識的內容，控制車輛執(zhí)行相應的行駛動作，實現(xiàn)自動導航。激光雷達可實時進行機器人的定位，在遇到障礙物時，可自動避障。
