基于ROS机器人操作系统的水下机械臂控制系统的研究

基于ROS机器人操作系统的水下机械臂控制系统的研究本文以R5M水下机械臂为控制对象，以水下机械臂的实际应用场景为参考，研究了水下机械臂控制系统的集成，提出了一种水下机械臂控制系统的设计方案。首先对控制系统的结构进行了介绍，其次使用Zynq-7020全可编程硬件平台搭建水下机械臂控制系统的硬件框架，再使用ROS机器人操作系统搭建水下机械臂控制系统的软件框架。最后通过实验平台，测试控制系统软件平台的功能。1.国内外水下机械臂研究现状1.1国外水下机械臂研究现状西方国家较早开始对海洋的探索，在发展水下设备的过程中开展了水下机械臂的研究，经历了50多年的发展，技术相对成熟。且随着水下机械臂技术的不断完善与应用场景的增多，逐步向商用化方向发展，许多外国公司相继推出了更多针对不同应用场景的商用水下机械臂。美国Schilling公司是著名的水下机器人公司，其研发的Orion7P是一款重型七功能液压水下机械臂。重量为54kg,一般搭载于中型ROV上进行水下安装与勘探任务。Titan4也是一款七功能水下机械臂。区别于Orion7P,Titan4的重量更高，达到100kg,专为重型ROV搭载设计，采用液压驱动方式，可以抓取搬运400kg重量以内的物体。英国科技公司Hydro-lek科技公司设计了多款专为小型ROV搭载的水下机机械臂。两款水下机械臂都采用了液压驱动的方式，适用于轻型ROV搭载，可以在2000米水深内进行作业。我国自1980年起开始对水下机器人和水下机械臂进行研究，相较于发达国家而言，国内该方面研究起步较晚，缺乏技术的积累，具有较大的差距。目前我国水下机械臂的研究大多处于实验室科研阶段，缺乏商用水下机械臂产品，在海洋探索研究等领域所使用的水下机械臂依旧依赖于进口产品。近年来我国众多科研院校积极参与水下机器人与水下机械臂的研究，华中科技大学是我国最早开始研究水下机械臂的院校单位，其最新研发的“华海-4E”水下机械臂为四功能水下机械臂，采用了电驱设计，为提升耐压性，采用了油压密封的方式，可以承受水深3500内水压。2.水下机械臂控制系统硬件功能设计2.1串口通信IP核设计在水下机械臂控制系统中，水下机械臂控制器与R5M电动水下机械臂和其他专用水下传感器设备均使用串口通信的模式。本文使用了Zynq-7020平台中PL硬核设计水下机械臂控制器的串口通信模块，利用FPGA可以自定义电路的特性，同时设计出任意多路串口通信模块，相互独立进行数据的接收与发送，提高了多路数据的通信速度。水下机械臂末端通常会安装高清摄像头，用于采集水下图像，有利于远程控制人员观察水下环境。OV7725图像传感器具有高感光性，适合在光线较弱的水下环境中使用，该摄像头内部集成了图像处理单元，可以输出640*480像素图像，输出帧率可达60fpsc本文根据OV7725图像传感器的信号时序图，在Zynq-7020平台的PL端设计图像采集IP核，利用FPGA的特性，通过硬件时序，按帧获取OV7725图像传感器输出的图像数据，并转换为视频流格式。在Vivado环境下，使用VerilogHDL语言进行设计得到视频图像采集IP核。2.3嵌入式系统部署Zynq-7020平台中的PS核是由双核的ARMCrotex-A9组成，与传统ARM芯片相同，可以部署Linux等嵌入式实时系统。故本设计按照先获取硬件描述文件，再配置Petalinux工程，最后编译Petalinux工程的步骤在Zynq-7020平台中的PS端部署Ubuntu16.04操作系统，并安装ROS机器人操3.水下机械臂控制系统软件功能设计机器人统一的描述格式。使用ROS机器人操作系统搭建水下机械臂的软件控制环境时，需要设计水下机械臂模型并导入ROS。机器人模型由若干个joint与若干个link连接而成。模型中的关节joint两端连接至两个link,分别为parentlink和childlink。URDF模型可以自行完成坐标系转换，转换的顺序是先父连杆坐标系，再关节坐标系，最后为子连杆坐标系。以此类推，完成机器3.2水下机械臂MoveIt!功能包配置本文配置水下机械臂MoveIt!功能包的基本流程如下：(1)生成水下机械臂SRDF文件。在SRDF文件中需要对机器人关节进行分组，为每个关节添加更多的物理属性，实现碰撞检测等高阶等功能；(2)添加配置文件。配置机器人运动解算功能、运动规划功能与机器人传(3)创建启动文件。在ROS内启用功能包时，需要编写启动文件即launchfile,其中包含了在器人控制中用到的所有功能节点。ros_control是ROS机器人操作系统为机器人控制开发提供的中间控件功能下机械臂有五个功能关节，为机械臂的每个关节设计joint_position_controller,接收joint_state话题发布的目标的角度，通过ros_control直接提供的PID控制器输出控制指令。4.结论本文基于ROS机器人操作系统，设计了PC与嵌入式协同工作的水下机械臂的控制系统，由于ROS机器人操作系统中内置了多种机器人功能包，可以快速实现各类控制计算，满足了控制系统对开发便捷性需求；同时由于ROS机器人操作系统的分布式架构特性使其可以部署在PC端与嵌入式端，并利用网络通信完成数据交互，满足了控制系统对实时通信的需求；通过在PC端的ROS中实现控制功能的计算，满足了控制系统对计算能力的需求。ManipulatorandItsFree-FloatingAutonomousOperation[J].IEEETransactiononMechatronics,2016,21(2):815-824.ManipulatorBasedonROSPlatform[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2016,50:94-97.[3]李凤.基于ROS的机械臂控制系统设计[J].37(11):72-76.自动化技术与应用，2018,[4]ZhaiX,Ait-Si-Ali