基于Mini ROS的机械臂实验平台设计

目前ROS系统广泛应用于机器人实验教学、理论研究和工业控制,取得了丰硕的成果。机器人操作系统是机器人理论研究和实验教学的前沿。参考现有机器人操作系统,设计开源的Mini ROS机械臂操作系统及其教具,能够加深学生对机器人控制原理和通信方式的理解,培养学生的动手能力和团队协作能力,有效提高学生的学习兴趣,促进知识的吸收内化,培养更多高素质创新性人才。

基于多传感器融合SLAM的ROS服务机器人研究

为提升自主导航精度,使用Jetson Nano控制器,采用同步定位与地图构建和路径规划算法,融合轮式里程计、激光雷达和惯性测量单元等多传感器信息,实现精确的单点和多点自主导航。采用机器人操作系统搭建自主导航框架,使用基于图优化的cartographer算法实现环境地图构建与机器人位姿估计,采用A*算法作为全局路径规划算法,同时利用基于g2o优化的TEB算法实现环境突变时的局部路径规划。实验结果表明,基于图优化的cartographer算法建图效果优于常见的基于粒子滤波的Gmapping算法。基于g2o优化的TEB算法可避免动态窗口算法在局部路径规划中机器人被挟持的情况,提升智能机器人地图构建和路径规划的准确性。

基于ROS和激光雷达SLAM的动态避障研究

针对Gmapping算法不适用于构建大场景地图的问题,采用带有回环检测的Cartographer算法进行即时定位与建图(SLAM)。同时,针对全局路径规划A*算法可以得到全局路径但不能有效躲避动态障碍物、局部路径规划时间弹性带(TEB)算法可以躲避障碍物但规划的路径可能只是局部最优而非全局最优的问题,提出了融合A*算法和TEB算法的导航避障方法。通过多层代价地图中静态层、障碍层和膨胀层的有效结合,为路径规划A*算法和TEB算法提供了便捷的规划环境。对导航环境中静态和动态障碍物进行了研究。试验结果表明,两种路径规划算法融合后可准确躲避静态障碍物、新出现的障碍物和动态障碍物,且能快速到达目标点。

ROS智能车创新性实验设计及教学应用

以我校汽车工程学院智能汽车教学和课程成果为基础,开发了机器人操作系统(ROS)智能车;在此基础上设计了ROS智能车实验课程,包括自动导航实验、自动巡线实验、开放性自主实验3个实验项目,并依托学校首门智能汽车专业课程汽车智能化技术开展了实验教学。实践表明,所设计的ROS智能车实验课程取得了良好的教学效果,提高了学生的实践能力和创新能力。

嵌入式系统中机器人操作系统(ROS)多机通信图像传输效率改善的研究

在传统的嵌入式系统中,由于计算资源有限,通信和图像传输的效率时常受到限制,导致图像检测的准确性和实时性有所降低。为了解决这一问题,一种改善机器人操作系统(robot operating system,ROS)多机通信图像传输的方法被提出。首先,利用ROS中的多机通信功能作为多机通讯的方法,实现机器人系统的分布式计算和通信;其次,调用跨平台计算机视觉库(OpenCV库)函数中的联合图像专家小组(joint photographic experts group,JPEG)图像压缩功能来提高图像传输的速率;最后,引用CvBridge(将ROS图像消息和OpenCV图像连接起来的桥梁)库将ROS压缩图像消息进行解压缩并发布解压缩后的节点,实现图像传输。通过JPEG图像压缩可以减小图像数据的大小,从而降低了图像传输时的带宽占用和延迟。提出的方法有助于提升ROS在有限计算资源下的性能,使其在多机环境中更为高效和可靠。

基于ROS及YOLOv3的混凝土桥梁裂缝实时检测系统

为了提升既有混凝土结构的养护效率,提高结构的检测效率和精度,基于ROS架构和边缘计算设备,设计了便携式混凝土桥梁裂缝实时检测系统,通过YOLOv3算法实现了混凝土桥梁裂缝自动检测识别,并研究了不同数量训练集对模型性能的影响.结果表明,研发的混凝土裂缝实时检测系统能够整合硬件性能,完成对混凝土表观裂缝图像的实时获取,并在边缘计算设备上进行实时分析处理,实现了检测结果的实时显示.模型在训练集数量最多时平均精度最高,达到0.823.实验室环境下以预应力混凝土结构为例的测试结果表明,该系统能够较好地实现混凝土结构表观裂缝的检测.

基于ROS和Pixhawk飞控自驾仪的无人清扫船研究

本研究旨在探索基于机器人操作系统(Robot Operating System,ROS)和Pixhawk飞控自驾仪的无人清扫船的应用。通过结合先进的自动化技术和海洋保护需求,设计了一种全新的无人船系统,旨在提高海洋环境清洁和生物多样性的保护效率。研究采用了遥感和机器视觉技术,实现了船只自主导航和集中式监测控制。实验结果表明,该无人清扫船系统具有良好的性能和可控性,为实现海洋保护目标提供了新的解决方案。

基于ROS的智能机器人可视化自主交互系统设计

利用机器人控制系统(ROS)的分布式处理框架与Qt跨平台图形用户界面开发框架,设计了智能机器人自主交互的可视化系统。利用图形化集成工具Rviz对ROS的功能进行图形化表示,并通过添加不同的显示面板来显示发布的话题、模型参数等信息。集成librviz库的开发、速度仪表盘显示订阅与展示图像话题,在Qt中订阅与更新ROS内容等功能模块。基于Qt按钮与槽函数间的通信实现用户界面跳转,订阅机器人数据、运动状态信息,并通过UI界面进行可视化显示,实时反馈机器人运动状态以及功能模块运行结果。系统实现SLAM建图导航、人脸识别、激光雷达控制、无线手柄控制、设置了定点返航等终端一键控制演示,避免ROS在使用过程中涉及较多的命令和Ubuntu终端命令操作,解决了当前机器人研究平台兼容性差、代码冗余率高、功能类别不完善等问题。

ROS2多线程执行器上DAG任务的优先级分配方法

随着机器人操作系统(robot operating system, ROS)的日益普及,系统也变得更加复杂,这类系统的计算平台正逐渐转变为多核心平台.在ROS中,任务执行的顺序取决于底层任务调度策略和分配给任务的优先级,而最大限度地缩短所有任务的执行时间是并行系统任务调度的一个重要目标.受强化学习在解决各种组合优化问题的最新研究成果的启发,在考虑ROS2多线程执行器的调度机制和执行约束的前提下,提出了一种基于强化学习的任务优先级分配方法,该方法提取了基于有向无环图形式表示的任务集的时间和结构特征,通过策略梯度和蒙特卡洛树搜索(Monte Carlo tree search, MCTS)方法有效地学习ROS2调度策略并给出合理的优先级设置方案,最终达到最小化并行任务的最大完工时间的目的.通过模拟平台环境下随机生成的任务图以评估所提方法,结果表明所提方法明显优于基准方法.作为一种离线分析方法,所提方法可以很容易地扩展到复杂的ROS中,在可接受的时间内找到接近最优的解决方案.

基于ROS和SLAM的无人消杀机器人系统设计

为解决传统消杀流程繁琐、覆盖率低且难以保障工作人员自身安全的问题,对消杀机器人系统设计进行了研究。设计了1种基于机器人系统(ROS)和激光同步定位与地图构建(SLAM)的无人消杀机器人系统。该系统使用调度软件,通过远程调节消毒液浓度、喷射消毒液和自主导航实现无人消杀、提高消杀覆盖率并保障工作人员安全。为便于操作和管理,采用Pyside2设计了1款通过Socket与机器人机载微型电脑进行通讯的调度软件。可通过该软件远程调节消毒液浓度,以适应不同的应用环境。利用无人驾驶平台的最短路径规划和全覆盖路径规划,实现了定点导航消杀和全覆盖消杀的功能。调度软件与消杀机器人的配合可提高消杀作业的工作效率,实现智能化消杀过程,为消杀机器人系统的设计提供了参考。

人脸识别算法研究及在ROS服务机器人上的部署

基于机器人操作系统(Robot Operating System,ROS)的服务机器人在养老服务中用途广泛,因此研究人脸识别算法具有重要的意义。文章结合多任务卷积神经网络(Multi-task Cascaded Convolutional Networks,MTCNN)和FaceNet网络来实现人脸识别功能。首先,通过训练MTCNN网络中的P-Net、R-Net以及O-Net实现人脸识别以及关键点检测,同时利用关键点矫正人脸;其次,训练FaceNet网络模型实现人脸128维特征的表示,通过计算人脸特征间的欧式距离识别人脸;最后,将人脸识别和质心追踪算法相结合来优化识别过程。实验结果表明,文章设计的人脸识别系统在ROS服务机器人上的应用识别精度较高。

基于ROS的超市自助购物机器人系统设计

机器人操作系统(ROS)是构建机器人应用程序的一套软件库和工具库,本文设计了一种基于ROS的超市自助购物机器人,其结构分为购物层和运动层两层。购物层在上、运动层在下,上层以树莓派3B+开发板为核心,配合扫码枪和自主结账软件的移动终端实现智能扫码结账的功能。下层以i7处理器的mini工控机为主,基于ROS和远程控制设备实现购物机器人的地图构建、人体跟随及语音导航。相比传统的手推车购物和排队等待结账难等问题,本文设计的机器人从愉悦购物的需求出发,极大解放了人们的手脚,降低了超市人力与维护的成本,具有高度的灵活性和移动性。

基于ROS网桥的跨平台网络化人机交互系统设计

针对传统机器人控制系统存在的跨平台开发和部署问题,提出了一种基于ROS(Robot Operating System,机器人操作系统)网桥的跨平台网络化人机交互系统。构建以Node.js框架为服务后端,Boot-strap框架和jQuery组件为交互前端的网络化控制系统架构,通过ROS网桥技术实现万维网(World Wide Web,WWW)端和机器人端的跨平台数据互通,并按需进行机器人控制服务化调用。实验结果表明,该控制系统能够实现机器人端环境感知、状态监视、远程控制等功能,支持个人电脑(Personal Com-puter,PC)端、移动端等泛平台人机交互,具有可模块化敏捷开发、移植扩展性强等优点。

基于ROS-Web交互的无人船定点巡航系统设计

论文以自主研发的无人船为研究对象,针对内陆水面环境定点巡航的研究,设计了基于ROS-Web交互的无人船定点巡航系统,该系统具有可自由更换各部分功能模块、交互模式易于后期拓展等优点,并且能够在定位控制算法下实现精准的定点巡航。利用误差状态卡尔曼滤波算法(Error-state Kalman Filter,ESKF)将惯性传感器(Inertial Measurement Unit,IMU)和卫星定位的数据融合实现无人船的绝对定位,以ROS的可视化工具以及Web页面作为显示与控制界面,提出利用卫星地图匹配方法建立无人船的导航地图,然后利用惯性漂移作用下的定位控制算法路径规划,在无需建立栅格地图的条件下发挥了ROS建图导航算法的优势,从而实现无人船在实时交互下的定点巡航。

基于多传感器的ROS小车底层设计

从轮式移动机器人的底层结构和通信协议两个方向出发,设计一种基于机器人操纵系统(ROS)的自主轮式机器人。首先根据轮式机器人的任务需求,确定底层所需的各种传感器和硬件结构,测试各个传感器与底层芯片的互连与数据交互是否正常,完成底层的组装;然后安装所需的软件平台,Linux系统和ROS操作系统;最后在机器人操作系统的平台进行所需的测试,并针对在测试中遇到的各种问题提出解决方案。在平台的测试结果令人满意,移动机器人在遇到障碍或者突发情况可以及时自主地进行躲避和处理。基于多传感器的底层鲁棒性更强,受到动态环境的干扰更弱,室内的建图与定位工作能够稳定运行,能够为今后的工作提供指导。

无人驾驶农机避障路径跟踪仿真与验证

【目的】为便于验证无人驾驶农机避障路径跟踪的效果,减少实际无人农机试验次数与消耗,设计一种无人驾驶农机避障路径跟踪仿真验证方法,构建一个仿真验证应用系统。【方法】以无人农机为基础,集成真实复杂地形环境仿真、实际作业农机仿真和路径规划算法植入,构建一个一体化仿真验证应用系统。基于三维SLAM技术,采集环境点云数据,实现农田地形环境仿真建模,构建阿克曼转向机械结构的农机仿真建模,提出一种基于农机动力学约束的TEB局部路径规划算法;在仿真验证应用系统中实现路径规划跟踪及避障,并通过多次测试验证该算法的有效性。【结果】避障路径跟踪有效性对比测试和避障路径跟踪平顺性验证测试结果表明,无人农机行驶过程中可有效动态避障,最短有效避障距离为4.1 m。路径跟踪控制效果良好,障碍物距离大于5.0 m时,可控平均误差≤0.4305 m,均方根误差≤0.3151 m;障碍物距离在4.5~5.0 m时,可控误差均值≤1.3538 m,均方根误差≤1.6126 m。【结论】本文提出的改进TEB算法具有较强的作业能力以及较高的作业精度,满足农业机械导航避障路径跟踪仿真验证的需求,该算法可应用于无人农机在实际农田环境的避障路径跟踪。该应用系统易于扩充,为精准农业中针对各种复杂作业环境的农机运作状态的优化设计研究提供基础。

基于ROS的机器人运动控制研究

当前机器人控制研究成本高、效率低下,机器人操作平台ROS(Robot Operation System)开源编程资源丰富,是机器人控制研究的有效工具。为拓展机器人在非结构环境下机器人视觉受限的运动能力,文章基于ROS平台进行了机器人触力觉信息感知的运动控制方法研究。在ROS平台下机器人运动控制命令以消息发布订阅的形式传递,实现机器人在夹持操作后的运动规划控制。搭建机器人平台并进行了相关实验,验证了在ROS平台下与机器人通信并控制其运动的可行性。

基于ROS的六自由度机械臂轨迹规划

针对传统机器人仿真平台面向特定对象时,模型构建复杂、功能单一等问题,采用开源机器人操作系统ROS搭建了机器人仿真平台,并进行了轨迹规划。利用Solid Works创建六自由度机械臂模型,使用sw2urdf插件导出模型文件;在ROS平台下,通过MoveIt!功能包创建机械臂轨迹规划需要的配置和启动文件,在Rviz中显示三维模型;利用MoveIt!提供的C++相关API,在该平台上对六自由度机械臂进行笛卡尔空间的直线圆弧轨迹规划,分析其各关节角度变化和末端插补误差。结果表明,机械臂各关节运行轨迹平滑,末端位置精度满足要求。

基于Win-ROS的公共服务机器人人机交互系统设计

针对公共服务环境中服务机器人的低智能化水平,人机交互(HMI)不佳、用户操作不便捷、无法满足动态环境下复杂导览任务等问题,本文开发了一套新的服务机器人系统。该系统借鉴机器人操作系统(ROS)通讯机制,分布式网络模型,基于Topic的异步数据流通信思想,使用. NET开发框架,在Windows环境下开发完成。同时在该系统平台上使用动态Web资源技术实现的友好操作界面,基于语音云服务的人机交互模块,实现预定用户专属服务的人脸识别模块以及结合LTL与A*实现动态环境下复杂任务需求的机器人最优路径规划和导航模块。实验结果表明,该服务机器人系统较好地实现了人机交互功能、提高了用户的可操作性、具有较高的智能化水平,能够完成复杂导览任务,有效地提高了服务机器人的总体性能。

基于ROS的临场可重构排爆机器人系统架构研究

在面对危险爆炸环境时,排爆机器人的临场任务具有多样性,根据不同的临场任务,机器人会在自身本体硬件的基础上,在现场对模块化组件进行快速组装,即机器人硬件方面的临场可重构。利用机器人操作系统(ROS),针对不同的硬件模块组合,进行软件重构是临场可重构机器人的软件特性。提出了一种基于ROS的临场可重构排爆机器人软硬件架构模式,在面对复杂环境时,操作人员能够根据现场不同的任务要求,对模块化设计的排爆机器人进行组装,形成硬件重构;而系统软件根据硬件模块的组装情况进行软件自重构,从而使排爆机器人具备完成不同任务的能力。排爆机器人的这种软硬件架构设计模式使得机器人在实际工作中表现出高效性、鲁棒性和自适应性。