《機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)》課件

機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)本課件將介紹機(jī)器人軟件的結(jié)構(gòu)，涵蓋從底層硬件到上層應(yīng)用的各個方面。課程目標(biāo)機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)了解機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)的組成和基本原理。ROS開發(fā)掌握機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）的基本概念和開發(fā)技能。應(yīng)用實踐通過實際案例學(xué)習(xí)機(jī)器人軟件的應(yīng)用和開發(fā)流程。機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)概述機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)是指機(jī)器人系統(tǒng)中各個軟件模塊之間的組織和協(xié)調(diào)方式，它決定了機(jī)器人系統(tǒng)如何接收和處理信息、如何控制執(zhí)行器、以及如何與外部環(huán)境進(jìn)行交互。機(jī)器人軟件結(jié)構(gòu)通常包含以下幾個核心子系統(tǒng)：感知子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng)和通信與集成子系統(tǒng)。機(jī)器人系統(tǒng)概述機(jī)器人系統(tǒng)是集機(jī)械、電子、控制、傳感器、軟件等技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。它通常由以下幾個部分組成：機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)需要考慮諸多因素，如安全性、可靠性、精度、速度、靈活性等。隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人系統(tǒng)正向著更加智能化、自主化的方向發(fā)展。機(jī)器人感知子系統(tǒng)視覺感知利用攝像頭、深度傳感器等獲取環(huán)境信息，識別物體、定位自身。觸覺感知通過壓力傳感器、觸覺傳感器等感知物體形狀、材質(zhì)、溫度等信息。距離感知利用激光雷達(dá)、超聲波傳感器等測量距離，構(gòu)建周圍環(huán)境地圖。機(jī)器人決策子系統(tǒng)環(huán)境感知決策子系統(tǒng)需要收集來自傳感器的信息，如攝像頭、激光雷達(dá)、觸覺傳感器等，以了解周圍環(huán)境。目標(biāo)規(guī)劃根據(jù)任務(wù)要求，決策子系統(tǒng)需要制定目標(biāo)，并生成一系列動作計劃。路徑規(guī)劃為了安全高效地完成任務(wù)，決策子系統(tǒng)需要規(guī)劃一條最優(yōu)路徑，避開障礙物。動作控制決策子系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制機(jī)器人的運(yùn)動，包括關(guān)節(jié)運(yùn)動、移動速度和方向。機(jī)器人執(zhí)行子系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的物理部分，負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)。它們包括各種類型的電機(jī)、液壓或氣動執(zhí)行器，用于移動和操縱機(jī)器人。運(yùn)動控制運(yùn)動控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，以實現(xiàn)所需的運(yùn)動軌跡。它們使用傳感器反饋來控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度。力控制力控制系統(tǒng)允許機(jī)器人以受控的方式與環(huán)境交互。它們可以測量和調(diào)節(jié)機(jī)器人施加的力，以完成精密的任務(wù)，如抓取和操作物體。機(jī)器人通信與集成子系統(tǒng)1數(shù)據(jù)交換機(jī)器人子系統(tǒng)之間需要交換數(shù)據(jù)，例如傳感器數(shù)據(jù)、控制命令、狀態(tài)信息。2協(xié)調(diào)控制通信機(jī)制可以協(xié)調(diào)不同子系統(tǒng)之間的工作，確保機(jī)器人整體行為的協(xié)調(diào)性。3外部交互機(jī)器人需要與外部環(huán)境或其他設(shè)備進(jìn)行通信，例如與人類操作員、云平臺或其他機(jī)器人進(jìn)行交互。機(jī)器人操作系統(tǒng)機(jī)器人操作系統(tǒng)（RobotOperatingSystem，ROS）是用于機(jī)器人軟件開發(fā)的開源軟件框架，為機(jī)器人應(yīng)用程序提供了一個靈活、可擴(kuò)展的平臺。ROS簡化了機(jī)器人軟件開發(fā)的復(fù)雜性，并提供了標(biāo)準(zhǔn)化的工具和庫，使得開發(fā)人員可以專注于解決具體問題，而無需擔(dān)心底層基礎(chǔ)設(shè)施。ROS簡介開源機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS是一個開源的機(jī)器人操作系統(tǒng)，它提供了一個靈活且可擴(kuò)展的框架，用于構(gòu)建各種機(jī)器人應(yīng)用程序。模塊化設(shè)計ROS采用模塊化的設(shè)計理念，允許開發(fā)人員將機(jī)器人應(yīng)用程序分解成不同的模塊，從而提高代碼的可重用性和可維護(hù)性。強(qiáng)大的通信機(jī)制ROS提供了一套豐富的通信工具，包括話題、服務(wù)、參數(shù)和時間同步，使不同模塊之間的協(xié)作變得更加容易。ROS體系結(jié)構(gòu)1節(jié)點(diǎn)ROS系統(tǒng)中的基本計算單元，每個節(jié)點(diǎn)執(zhí)行特定任務(wù)。2話題節(jié)點(diǎn)之間發(fā)布和訂閱數(shù)據(jù)的通信機(jī)制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。3服務(wù)節(jié)點(diǎn)之間請求-響應(yīng)式的通信機(jī)制，用于執(zhí)行復(fù)雜操作。4參數(shù)節(jié)點(diǎn)之間的參數(shù)共享機(jī)制，用于配置和調(diào)整系統(tǒng)行為。5時間ROS系統(tǒng)中的時間同步機(jī)制，確保節(jié)點(diǎn)之間的時間一致性。6tfROS系統(tǒng)中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換機(jī)制，實現(xiàn)不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。ROS文件系統(tǒng)工作空間工作空間是ROS項目的根目錄，包含多個包。包每個包包含特定功能的代碼、配置和資源。ROS通信機(jī)制節(jié)點(diǎn)間通信ROS節(jié)點(diǎn)通過發(fā)布和訂閱話題、調(diào)用服務(wù)、設(shè)置參數(shù)等方式進(jìn)行通信。話題機(jī)制節(jié)點(diǎn)發(fā)布數(shù)據(jù)到話題，其他節(jié)點(diǎn)訂閱該話題以接收數(shù)據(jù)。服務(wù)機(jī)制節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，其他節(jié)點(diǎn)通過調(diào)用服務(wù)獲取結(jié)果。ROS節(jié)點(diǎn)1獨(dú)立執(zhí)行單元每個節(jié)點(diǎn)都是一個獨(dú)立的程序，負(fù)責(zé)執(zhí)行特定的任務(wù)。2松耦合通信節(jié)點(diǎn)之間通過消息傳遞進(jìn)行通信，彼此獨(dú)立，互不影響。3可擴(kuò)展性強(qiáng)可以輕松添加或刪除節(jié)點(diǎn)，以滿足不同的需求。ROS話題發(fā)布者節(jié)點(diǎn)發(fā)布信息到話題，其他節(jié)點(diǎn)可以訂閱該話題。訂閱者節(jié)點(diǎn)訂閱話題，接收發(fā)布者發(fā)布的信息。消息類型話題的消息類型定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于發(fā)布和訂閱。ROS服務(wù)定義ROS服務(wù)是一種請求-響應(yīng)機(jī)制，用于在不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行同步通信。用途服務(wù)通常用于執(zhí)行復(fù)雜的操作或獲取節(jié)點(diǎn)之間共享的信息。示例獲取傳感器數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行器，執(zhí)行特定任務(wù)等。ROS參數(shù)1配置ROS參數(shù)用于配置和定制機(jī)器人行為.2動態(tài)調(diào)整參數(shù)可以在運(yùn)行時修改,允許靈活調(diào)整機(jī)器人性能.3命名空間參數(shù)可以使用命名空間進(jìn)行組織,避免命名沖突.ROS時間時間管理ROS利用時間戳同步所有節(jié)點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性。計時器ROS提供計時器，允許節(jié)點(diǎn)在特定時間間隔執(zhí)行任務(wù)。時間同步ROS使用統(tǒng)一時間系統(tǒng)，確保所有節(jié)點(diǎn)都擁有相同的時鐘。ROStf坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換ROStf提供了坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換服務(wù)，能夠?qū)⒉煌鴺?biāo)系下的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同傳感器和執(zhí)行器之間的協(xié)調(diào)。時間同步tf還負(fù)責(zé)不同節(jié)點(diǎn)之間的時間同步，確保數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換時具有相同的參考時間。數(shù)據(jù)廣播tf會廣播坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換信息，讓其他節(jié)點(diǎn)能夠獲取并使用這些信息。ROS導(dǎo)航棧提供地圖構(gòu)建和定位功能。規(guī)劃從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最佳路徑?？刂茩C(jī)器人按照規(guī)劃的路徑移動。ROS感知棧1傳感器數(shù)據(jù)處理從各種傳感器獲取數(shù)據(jù)，例如激光雷達(dá)、攝像頭、IMU等。2數(shù)據(jù)融合將來自不同傳感器的數(shù)據(jù)融合在一起，形成更完整的環(huán)境感知。3目標(biāo)識別識別環(huán)境中的物體，例如墻壁、障礙物、人和物體等。4地圖構(gòu)建利用傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建周圍環(huán)境的地圖，用于導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。ROS控制棧運(yùn)動控制控制關(guān)節(jié)運(yùn)動，實現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動軌跡規(guī)劃和執(zhí)行。力控制實現(xiàn)機(jī)器人對物體施加力的控制，用于抓取、操作和交互。視覺伺服利用視覺信息來控制機(jī)器人運(yùn)動，實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤和定位。ROS可視化工具ROS提供多種可視化工具，方便用戶直觀地觀察和調(diào)試機(jī)器人系統(tǒng)。例如：**Rviz**：是一個強(qiáng)大的可視化工具，可以顯示各種傳感器數(shù)據(jù)，例如激光掃描、深度圖像、點(diǎn)云、地圖、機(jī)器人姿態(tài)等。**TFTreeViewer**：用于可視化機(jī)器人坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。**Gazebo**：是一個強(qiáng)大的機(jī)器人模擬環(huán)境，允許用戶創(chuàng)建復(fù)雜的虛擬場景，并進(jìn)行機(jī)器人仿真和測試。ROS開發(fā)流程1創(chuàng)建工作空間建立ROS項目目錄2創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)編寫ROS節(jié)點(diǎn)代碼3編譯編譯ROS節(jié)點(diǎn)4運(yùn)行運(yùn)行ROS節(jié)點(diǎn)5測試測試ROS節(jié)點(diǎn)ROS編程實踐語言選擇ROS支持多種編程語言，如C++、Python和Java，選擇合適的語言進(jìn)行開發(fā)。節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建創(chuàng)建ROS節(jié)點(diǎn)，并編寫代碼實現(xiàn)特定功能，例如傳感器數(shù)據(jù)采集、控制執(zhí)行器等。話題發(fā)布與訂閱利用話題機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，發(fā)布者將數(shù)據(jù)發(fā)布到話題，訂閱者接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。服務(wù)調(diào)用使用服務(wù)機(jī)制請求其他節(jié)點(diǎn)執(zhí)行特定任務(wù)，例如請求導(dǎo)航服務(wù)進(jìn)行路徑規(guī)劃。參數(shù)設(shè)置配置節(jié)點(diǎn)參數(shù)，例如設(shè)置機(jī)器人模型、傳感器參數(shù)等。調(diào)試與測試使用ROS提供的工具進(jìn)行調(diào)試和測試，確保代碼功能正常運(yùn)行。ROS應(yīng)用案例ROS在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如：工業(yè)自動化：機(jī)器人焊接、噴漆、搬運(yùn)等。服務(wù)機(jī)器人：家庭清潔、餐飲配送、醫(yī)療護(hù)理等。農(nóng)業(yè)機(jī)器人：無人駕駛拖拉機(jī)、播種機(jī)等?？蒲薪逃簷C(jī)器人研究、教學(xué)實踐等。ROS未來發(fā)展趨勢云機(jī)器人將機(jī)器人與云計算技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程控制，提高機(jī)器人性能和功能。人工智能集成機(jī)器學(xué)習(xí)和深度