Hawking模塊化中型機器人

西北工業(yè)大學(xué)

褚 原，張春雨，喻世霖，盧軍汀，張鈳翊

1 作品簡介

近年來，機器人與人工智能技術(shù)、先進制造技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合發(fā)展，推動了國民生活方式的不斷改變，智能機器人逐漸走入人們的日常生活，在醫(yī)療、運輸、教育等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。我們團隊基于時代發(fā)展與市場需求，開發(fā)了Hawking模塊化中型機器人。不同于傳統(tǒng)的通用型機器人，模塊化設(shè)計增強了機器人的可擴展性和多功能性，用戶可根據(jù)需要進行簡單的拆卸安裝更換機器人的使用功能，解決了機器人功能單一等問題。

Hawking模塊化中型機器人具有自主導(dǎo)航無人消毒車、全自主無人物流運輸車和自主空氣凈化車功能模塊，可用于辦公室、醫(yī)院、餐廳等場所的日常消毒、物品運送和空氣凈化。

2 技術(shù)原理

產(chǎn)品以四輪自主全向平臺為基礎(chǔ)，采用模塊化處理，搭載消毒霧化器、消毒紫外燈模塊或多層貨物架模塊，實現(xiàn)無人區(qū)域的消毒或貨物運輸。該機器人裝配有激光雷達進行導(dǎo)航，可實現(xiàn)精準的點對點存取、搬運，以及大體積運輸，還可按照規(guī)劃的路線對室內(nèi)消毒。該中型機器人基于ROS機器人操作系統(tǒng)開發(fā)，采用2D激光SLAM算法cartographer進行實時定位建圖，采用基于A*算法和DWA算法進行全局和局部路徑規(guī)劃，實現(xiàn)點到點自主導(dǎo)航。產(chǎn)品器件包括全向輪、電機、驅(qū)動器、控制器、擊球桿、擊球板、氣缸、電磁鐵等。

硬件采用上、下位機結(jié)合的控制方式：上位機使用計算機平臺，基于Qt開發(fā)平臺實現(xiàn)對目標物的識別，并控制機器人動作；下位機使用STM32F1單片機，采用PID控制算法計算當(dāng)前的行進角度，引入負反饋閉環(huán)控制，減小與初始行進角度的誤差。利用CAN通信協(xié)議對電機進行控制。系統(tǒng)電路板利用Altium Designer軟件設(shè)計：電路板采用模塊化設(shè)計，既可以很好地保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，還能在出現(xiàn)問題時快速查明原因。硬件主要包括電源管理模塊、通信模塊、核心控制模塊、擴展模塊。

3 項目創(chuàng)新點

本產(chǎn)品的創(chuàng)新點在于硬件采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)“1+N”功能，即一個通用的Hawking中型機器人底盤可以安裝消毒套件、運輸套件等模塊。通過簡單拆卸即可快速更換功能模塊，實現(xiàn)一車多用。產(chǎn)品軟件采用平臺式設(shè)計，以ROS機器人操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行開發(fā)，充分利用ROS的可擴展性和多模塊性，通過對各功能模塊的功能包進行開發(fā)、封裝，可直接加入已有軟件系統(tǒng)，方便用戶進行新功能軟件的擴展。

2D激光SLAM算法基于開源算法框架cartographer，精度較高，成本較低。相比gmapping算法，該算法不依賴里程計信息；相比hector_slam算法，該算法不依賴激光雷達。團隊將基于模型的方法和基于線性的方法結(jié)合，應(yīng)用于激光數(shù)據(jù)預(yù)處理階段的里程計標定，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量與slam算法的精度。

建立機器人底盤傳遞函數(shù)，對系統(tǒng)響應(yīng)做出精確控制，同時在里程計中將姿態(tài)融合濾波后的信息加入系統(tǒng)的反饋中，利用卡爾曼濾波對機器人的位置和速度進行遞推估計，減少打滑、碰撞等原因造成的姿態(tài)估計誤差。在同等控制指令下，本輪式平臺擁有更好的動態(tài)響應(yīng)能力和更小的靜態(tài)誤差，在協(xié)助激光雷達進行定位和動態(tài)位置估計方面有著更好的表現(xiàn)。

產(chǎn)品的正交四輪結(jié)構(gòu)承重性好，誤差可控，底盤穩(wěn)定性高。使用高精度6軸陀螺儀與里程計融合，與傳統(tǒng)僅依靠激光雷達或者利用視覺信息進行定位建圖相比，能夠提高地圖精度。

大容量鋰電池相比柴油發(fā)電機和鉛蓄電池污染小，單次服務(wù)面積大，高能量密度顯著提高了續(xù)航時間，充電快，易拆卸。

產(chǎn)品智能化噴灑控制系統(tǒng)能夠提高藥液利用率，根據(jù)工作環(huán)境復(fù)雜度、噴灑面積的不同，智能調(diào)整噴灑時間和霧化器功率，在保證消毒效果的同時降低損耗。