一种基于ROS系统的智能家政机器人的研究

陆瀚元 李军红 刘景祺 周宇呈 赖建帆 邓学智

摘要：随着科技的飞速发展，机器人在人们的生产生活中是常见的，同样在家政服务行业机器人的研究也很深入。目前，市场上的家政服务机器人功能较为基础，且传感器的种类较为单一。基于此，本文提出了一款基于ROS操作系统的家政智能服务机器人，本机器人配有激光雷达和opencv深度摄像头等传感器，本机器人的操作系统是树莓派主控板结合STM32单片机，同时配有机械臂和吸尘风扇等，在做到清洁灰尘的同时，能对一些垃圾进行识别并且捡取，有效为人们提供服务。

关键词：ROS;激光雷达;opencv深度摄像头;树莓派;STM32单片机

0引言

在经济和科技高速发展的今天，随着机器人性能的不断提高，移动机器人应用范围逐渐扩大。它不仅广泛被应用于工业、农业、医疗、服务等行业，还不断地小型化、居家化、轻量化和物联互联化，逐渐走入普通消费者市场。现如今，为了提高人们生活的舒适度，家政机器人的兴起为改善人们的家庭居住条件提供的有力的帮助。

1研究背景

家政机器人的相关概念2002年前后被提出，当时iRobot公司发布了Roomba真空保洁机器人，这款造型类似飞盘的产品售出了600多万台。可以说Roomba真空保洁机器人为当下的扫地机器人等家政机器人的出现和发展奠定了基础框架。直到2010年后，随着各种高精度算法与传感器的产业化，加之微型处理器的性能的迅速提升，使得家政机器人的发展速度迅速提高，形成了“产品更新+迭代”的产业模式。并且随着互联网与物联网相关产业的发展，家政机器人在公众面前的曝光度越高，以及产品的使用门槛逐渐降低，家政机器人的发展势头依然强劲。

2环境地图构建与系统识别

2.1基于栅格法的环境地图构建

对移动机器人的工作环境进行高精度的感知和建模，是有利于移动机器人在工作环境中实现自主工作。本研究使用激光雷达作为采集环境信息和识别障碍物的传感器，但是由于激光雷达传感器在工作期间测量得到的数据会受到噪声的影响，为了解决这一问题，可以引入占据率（Occupancy）概念。在栅格地图中，用P这个点表示占有状态的概率，存在两种情况：第一种是有障碍物的状态P（s=1）;另一种是空闲的状态P（s=0）。因为存在数据的多样性，所以使用两个概率的比值Odd（s）作为该点的状态，即：

由上式（1.1）可以看出，Odd（s）的值越大，表示栅格占据率越大，即有障碍物的栅格更多。

2.2 OpenCV摄像头系统识别研究

OpenCV是一个基于Apache2.0许可（开源）发行的跨平台计算机视觉和机器学习软件库，可以运行在Linux、Windows、Android和Mac OS操作系统上。它轻量级而且高效——由一系列 C 函数和少量 C++类构成，同时提供了Python、Ruby、MATLAB等语言的接口，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。

OpenCV用C++语言编写，它的主要接口也是C++语言，但是依然保留了大量的C语言接口。该库也有大量的Python、Java and MATLAB/OCTAVE的接口。这些语言的API接口函数可以通过在线文档获得。如今也提供对于C#、Ch、Ruby的支持。

3路径规划

移动机器人在进行移动的时候，光是有导航定位是远远不够的，從起点到达终点这个过程需要规划好一个好的路径，它可以有效的帮助机器人减少在路径上可能消耗的资源，让机器人能够安全稳定的到达目的地。但是环境状况出现一定的变化的话，机器人并不能对环境进行相对于的调整，是一种离线式的路径规划方法。

A*算法能够保证找到一条最短路径，该算法可以在状态空间中对可行位置进行评估，从而得到最优的位置，再如此反复，以此下去直到搜索到目标地点。这样来说可以节省大量的无谓的搜索路径，提高了效率。A*算法的评价函数如下所示：

f（n）=g（n）+h（n）（3.2）

在公式（3.2）中，f（n）代表移动机器人起始位置到目标位置综合预估的轨迹数值，g（n）代表起始位置到机器人所在位置的移动距离，h（n）代表当节点到目标位置行走行走距离简单的数值。

4实验结果与分析

首先通过移动机器人建立局部地图，局部地图的建立只需要让移动机器人在某一点进行激光雷达扫描。其中，灰白色代表已知的安全区域，深绿色则代表未知的地图，黑色代表扫描到的障碍物，红色的点云代表实时扫描到的障碍物。

对移动机器人进行控制使其进行移动多方位移动，并且在移动过程中还要伴随着不断地激光雷达扫描环境，扫描出来的全局地图如图6（a）所示：

由图6（a）可以看出，灰白色则代表移动机器人所扫描到的全局区域，对比图6（b）可知，激光雷达建图与真实实验室环境吻合。其中灰白色区域中黑色的区域则代表障碍物（即桌椅等物品），故机器人在移动过程中需要避开黑色区域。

5结语

近年来，随着我国的经济实力发展，以及人民群众对美好生活的向往，家政机器人已经成为智能家居中的热门种类。只需在客户端上发出指令，就可以完成家中的打扫。而且在未来的智能化的潮流趋势下，移动机器人必然会成为解放人们双手的主要选择。038C597C-F774-40C1-9DC1-F6FE2E5B0876