第 8 章 机器人平台设计

实体机器人与仿真实现有什么区别ROS系统如何控制机器人底盘运动并计算里程计数据呢实际的传感器如雷达、摄像头等应该怎么使用呢...机器人系统是一套机电一体化的设备机器人设计也是高度集成的系统性实现为了给大家解答上述疑惑方便机器人硬件的快速上手本章去繁就简旨在从0到1的设计一款入门级、低成本、简单但又具备一定扩展性的两轮差速机器人学习完本章内容之后你甚至可以构建属于自己的机器人平台。本章主要介绍内容如下:机器人的组成部分Arduino 基本使用Arduino 与电机驱动底盘控制实现基于树莓派的ROS环境搭建激光雷达与相机的基本使用与集成。本章学习目标如下能够独立搭建机器人平台。注意:该章内容会使用到ROS的分布式框架树莓派端作为主机PC端作为从机PC端使用的ROS版本为noetic树莓派端使用的版本为melodic因为树莓派需要与底盘交互而相关功能包还未更新。案例演示:1.机器人底盘实现底盘正面Arduino 与 电机驱动板底盘背面2.机器人控制系统以及传感器实现3.机器人集成效果8.1 概述立足角度不同对机器人组成的认识也会有明显差异从控制的角度来看机器人系统可以分为四部分:传感系统、控制系统、驱动系统、执行机构。1.传感系统它由内部传感器模块和外部传感器模块组成获取内部和外部环境中有用的信息相当于人体的感官与神经内部传感系统包括电机的编码器、陀螺仪等可以通过自身信号反馈检测位姿状态外部传感系统包括摄像头、红外、声纳等用于感知外部环境。2.控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令以及从传感器反馈回来的信号输出控制命令信号类似于人的大脑。控制系统需要基于处理器实现在处理器之上控制系统需要完成算法处理、关节控制、人机交互等复杂功能。3.驱动系统驱动系统主要负责驱动执行机构将控制系统下达的命令转换成执行机构所需要的信号相当于人的小脑与神经。采用的动力源不同驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式主要有四种液压式、气压式、电气式和机械式。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式其特点是电源取用方便响应快驱动力大信号检测、传递、处理方便并可以采用多种灵活的控制方式驱动电机一般采用步进电机或伺服电机。4.执行机构执行机构是机器人组成中的机械部分类似于人的手与脚比如:机器人的行走部分与机械臂。在当前机器人系统中各组成部分对应硬件清单如下:执行机构:主体使用亚克力板拼装由两个直流电机带动主动轮以及保持平衡的两个万向轮实现机器人行走由于执行机构比较简单不再做单独介绍。驱动系统:电池、arduino 以及电机驱动模块控制系统:树莓派传感系统:编码器、单线激光雷达、相机其中执行机构与驱动系统构成了机器人底盘。8.2 机器人平台设计之arduino基础在构建差分轮式机器人平台时驱动系统的常用实现有 STM32 或 Arduino在此我们选用后者因为 Arduino 相较而言更简单、易于上手。本节将介绍如下内容:arduino 简介arduino 开发环境搭建arduino 基本语法。概念Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。在它上面可以进行简单的电路控制设计Arduino能够通过各种各样的传感器来感知环境通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。作用或多或少你可能听说过“集成电路”(又称“微电路”、“微芯片”或“芯片”)这种概念集成电路integrated circuit是一种微型电子器件或部件通过集成电路再结合一些外围的电子电子元器件、传感器等可以感知环境(温度、湿度、声音)也可以影响环境(控制灯的开关、调节电机转速)。但是传统的集成电路应用比较繁琐一般需要具有一定电子知识基础并懂得如何进行相关的程序设计的工程师才能熟练使用而Arduino的出现才使得以往高度专业的集成电路变得平易近人Arduino主要优点如下:简单:在硬件方面Arduino本身是一款非常容易使用的印刷电路板。电路板上装有专用集成电路并将集成电路的功能引脚引出方便我们外接使用。同时电路板还设计有USB接口方便与电脑连接易学:只需要掌握 C/C 基本语法即可易用:Arduino提供了专门的程序开发环境Arduino IDE可以提高程序实现效率。当前Arduino已经成为全世界电子爱好者电子制作过程中的重要选项之一。组成Arduino 体系主要包含硬件和软件两大部分。硬件部分是可以用来做电路连接的各种型号的Arduino电路板(下图为本章内容使用的 arduino mega 2560)软件部分则是Arduino IDE。你只要在IDE中编写程序代码将程序上传到Arduino电路板后程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了。