ROS机器人实例——HRMRP

HRMRP(Hybrid Real-time Mobile Robot Platform，混合实时移动机器人平台)是笔者在2012年和实验室的小伙伴们一起从零开始设计、开发的一款机器人平台，其中大部分扩展电路、驱动和ROS相关的底层功能都是我们自己开发。该机器人平台具有软硬件可编程、灵活性强、模块化、易扩展、实时性强等特点，机器人的整体结构如下图所示。

HRMRP具备丰富的传感器和执行器，在该平台的基础上，可以现了机器人SLAM、自主导航、人脸识别、机械臂控制等功能。

— 总体架构设计—

HRMRP的总体架构如下图所示。

1. 硬件层

（1）机械平台

HRMRP主体结构为铝合金材质，尺寸为316mm ×313mm ×342mm（高×宽×长），装配两个驱动轮与一个万向轮。驱动轮由两个30W的直流电机带动，转速可达83转/分钟，机器人最快速度1.5m/s。HRMRP还装有一个六自由度机械臂，可以完成三维空间内的夹取操作。

（2） 控制平台

嵌入式系统具备小型化、低功耗、低成本、高灵活性等显著的特点，电子技术的发展也促使可编程门阵列FPGA在嵌入式系统中得到了越来越广泛的应用，很大程度上改善了嵌入式系统硬件的灵活度与繁琐计算的实时化。

HRMRP的控制平台即基于Xilinx最新一代集成FPGA与ARM的SoC——Zynq。

Zynq由处理系统（Processor System，PS）与可编程逻辑（Programmable Logic，PL）两部分组成。其中PS基于ARM Cortex-A9双核处理器构建，包含常用的外设接口，例如网络、USB、内存控制器等。而PL由Xilinx的7系列FPGA构成，支持动态重配置，可以使用Verilog语言编程。

在HRMRP中，PS通过操作系统控制所有功能正常有序的实现，而PL作为协处理器，一方面可以对复杂运算做并行加速处理，另一方面可以进行I/O接口扩展，为多传感器和执行器设计统一的接口，提高系统硬件配置的灵活性。

（3） 传感器系统

在机器人核心传感器的选择上，HRMRP使用了高性价比、高集成度的微软Kinect 传感器。除此还装配有超声波、加速度、里程计、陀螺仪等多种传感器，确保机器人平台可以采集到丰富的传感信息。

2. 驱动层

驱动层的主要工作是采集或预处理硬件层的数据，下发操作系统层的指令，为底层硬件与上层功能模块提供相应的数据传输通道。由于我们采用“ARM+FPGA”异构控制平台，为配合硬件层功能，驱动层也分为两部分，分别放置于硬件的PS端和PL端。

PS端主要驱动连接到ARM处理器的外设，例如通过PS中的OpenNI驱动Kinect，并且提供PL端到PS端的接口。而在PL端中，利用可编程硬件的灵活性和并行处理能力，进行I/O扩展与算法的硬件加速，如下图所示。

在I/O扩展方面，传统的设计实现中，种类繁多的传感器、执行器对接口的要求各不相同，会占用大量I/O资源，增加处理器的负担。而在HRMRP的ARM+FPGA系统当中，通过定义一组标准的硬件接口，连接传感器和电机等外设，可使用编程逻辑取代繁杂的电路连接工作，满足各种不同需求的硬件外设。

在硬件加速方面，一般来说PS端适合常用接口的驱动、网络数据的处理等功能，而PL端适合于规律性的算法处理，在HRMRP中主要负责Kinect的数据预处理工作（这里我们将OpenNI中的部分代码放入FPGA中进行加速）。PS与PL相互配合，提高了系统数据处理的实时性。

3. 操作系统层

操作系统层是机器人平台的控制核心，集成了机器人的功能模块，负责行为控制、 数据上传、指令解析、人机交互等功能。为与ROS通信接口保持一致，使用Ubuntu作为操作系统，运行于Zynq的PS端ARM处理器之中。

ROS为用户的不同需求提供了大小和功能不同的多种安装包，为了减少ARM端的执行压力，HRMRP编译移植了仅包括ROS基本通信机制的核心库。继承了ROS的优势，机器人平台具备ROS通信以及功能包运行的能力，与上层网络指令无缝连接，结合开源软件库，极大地丰富了机器人的功能模块与应用范围。

HRMRP是一种较为典型的高性能、低成本机器人平台。与现在研究和应用中使用较为广泛的TurtleBot、Pioneer等机器人相比，HRMRP具有相似的结构与尺寸，同样可以完成多种多样的机器人应用；但是在接口的可扩展性、传感器的丰富度以及成本控制等方面，具备更好的综合性能。

— SLAM与导航—

在以上架构的基础上实现每个模块的具体功能，系统运行状态下的数据流图如下图所示。

HRMRP在室内环境下的SLAM建图效果如下图所示。

基于SLAM建立的地图完成导航的效果如下图所示。

— 多机器人扩展—

ROS作为一个分布式框架，从微观的角度讲，分布式体现在节点的布局和配置上，而从宏观的角度讲，这种分布式可以体现在多机器人、多主机集成的系统当中。在HRMRP机器人的基础上，我们试图提出一种多机器人实现的框架，如下图所示。

由于机器人架构多种多样，处理应用的能力也各不相同，在不同场合下的需求也有差异，我们设计了服务器层来提高机器人应用的计算能力，负责调度、分配多机器人应用中的任务，同时为用户提供友好、易用的人机交互界面。

分布的机器人节点与服务器都采用ROS框架设计，使用无线网络通信，可以快速集成ROS社区中丰富的应用功能。在多机器人系统当中，通过机器人之间的信息共享和与任务协作，可以让每个机器人在充分发挥自己能力的同时，获得更多额外的应用潜力。

机器人节点是应用的执行者与信息的采集者。在该系统中可以集成多种采用ROS框架的机器人，这里以HRMRP机器人平台为例，针对多机器人的框架也进行了测试，除HRMRP机器人之外，还使用树莓派制作了一个简单的小型机器人。

在实验中，HRMRP机器人在地图上自主导航前进，服务器负责应用的处理与显示，同时将HRMRP的位置信息转发给树莓派机器人；树莓派机器人收到信息后，紧跟HRMRP，效果如下图所示。