《机器人软件结构》课件

机器人软件结构本课件将介绍机器人软件的结构，涵盖从底层硬件到上层应用的各个方面。课程目标机器人软件结构了解机器人软件结构的组成和基本原理。ROS开发掌握机器人操作系统（ROS）的基本概念和开发技能。应用实践通过实际案例学习机器人软件的应用和开发流程。机器人软件结构概述机器人软件结构是指机器人系统中各个软件模块之间的组织和协调方式，它决定了机器人系统如何接收和处理信息、如何控制执行器、以及如何与外部环境进行交互。机器人软件结构通常包含以下几个核心子系统：感知子系统、决策子系统、执行子系统和通信与集成子系统。机器人系统概述机器人系统是集机械、电子、控制、传感器、软件等技术于一体的复杂系统。它通常由以下几个部分组成：机械结构、驱动系统、传感器系统、控制系统、软件系统。机器人系统的设计与实现需要考虑诸多因素，如安全性、可靠性、精度、速度、灵活性等。随着人工智能、机器学习等技术的进步，机器人系统正向着更加智能化、自主化的方向发展。机器人感知子系统视觉感知利用摄像头、深度传感器等获取环境信息，识别物体、定位自身。触觉感知通过压力传感器、触觉传感器等感知物体形状、材质、温度等信息。距离感知利用激光雷达、超声波传感器等测量距离，构建周围环境地图。机器人决策子系统环境感知决策子系统需要收集来自传感器的信息，如摄像头、激光雷达、触觉传感器等，以了解周围环境。目标规划根据任务要求，决策子系统需要制定目标，并生成一系列动作计划。路径规划为了安全高效地完成任务，决策子系统需要规划一条最优路径，避开障碍物。动作控制决策子系统负责控制机器人的运动，包括关节运动、移动速度和方向。机器人执行子系统执行机构执行机构是机器人的物理部分，负责执行任务。它们包括各种类型的电机、液压或气动执行器，用于移动和操纵机器人。运动控制运动控制系统负责协调执行机构的运动，以实现所需的运动轨迹。它们使用传感器反馈来控制机器人关节的位置、速度和加速度。力控制力控制系统允许机器人以受控的方式与环境交互。它们可以测量和调节机器人施加的力，以完成精密的任务，如抓取和操作物体。机器人通信与集成子系统1数据交换机器人子系统之间需要交换数据，例如传感器数据、控制命令、状态信息。2协调控制通信机制可以协调不同子系统之间的工作，确保机器人整体行为的协调性。3外部交互机器人需要与外部环境或其他设备进行通信，例如与人类操作员、云平台或其他机器人进行交互。机器人操作系统机器人操作系统（RobotOperatingSystem，ROS）是用于机器人软件开发的开源软件框架，为机器人应用程序提供了一个灵活、可扩展的平台。ROS简化了机器人软件开发的复杂性，并提供了标准化的工具和库，使得开发人员可以专注于解决具体问题，而无需担心底层基础设施。ROS简介开源机器人操作系统ROS是一个开源的机器人操作系统，它提供了一个灵活且可扩展的框架，用于构建各种机器人应用程序。模块化设计ROS采用模块化的设计理念，允许开发人员将机器人应用程序分解成不同的模块，从而提高代码的可重用性和可维护性。强大的通信机制ROS提供了一套丰富的通信工具，包括话题、服务、参数和时间同步，使不同模块之间的协作变得更加容易。ROS体系结构1节点ROS系统中的基本计算单元，每个节点执行特定任务。2话题节点之间发布和订阅数据的通信机制，实现数据共享。3服务节点之间请求-响应式的通信机制，用于执行复杂操作。4参数节点之间的参数共享机制，用于配置和调整系统行为。5时间ROS系统中的时间同步机制，确保节点之间的时间一致性。6tfROS系统中的坐标转换机制，实现不同坐标系之间的转换。ROS文件系统工作空间工作空间是ROS项目的根目录，包含多个包。包每个包包含特定功能的代码、配置和资源。ROS通信机制节点间通信ROS节点通过发布和订阅话题、调用服务、设置参数等方式进行通信。话题机制节点发布数据到话题，其他节点订阅该话题以接收数据。服务机制节点提供服务，其他节点通过调用服务获取结果。ROS节点1独立执行单元每个节点都是一个独立的程序，负责执行特定的任务。2松耦合通信节点之间通过消息传递进行通信，彼此独立，互不影响。3可扩展性强可以轻松添加或删除节点，以满足不同的需求。ROS话题发布者节点发布信息到话题，其他节点可以订阅该话题。订阅者节点订阅话题，接收发布者发布的信息。消息类型话题的消息类型定义了数据结构，用于发布和订阅。ROS服务定义ROS服务是一种请求-响应机制，用于在不同节点之间进行同步通信。用途服务通常用于执行复杂的操作或获取节点之间共享的信息。示例获取传感器数据，控制执行器，执行特定任务等。ROS参数1配置ROS参数用于配置和定制机器人行为.2动态调整参数可以在运行时修改,允许灵活调整机器人性能.3命名空间参数可以使用命名空间进行组织,避免命名冲突.ROS时间时间管理ROS利用时间戳同步所有节点，确保数据的准确性和实时性。计时器ROS提供计时器，允许节点在特定时间间隔执行任务。时间同步ROS使用统一时间系统，确保所有节点都拥有相同的时钟。ROStf坐标系转换ROStf提供了坐标系之间的转换服务，能够将不同坐标系下的数据进行转换，实现不同传感器和执行器之间的协调。时间同步tf还负责不同节点之间的时间同步，确保数据在转换时具有相同的参考时间。数据广播tf会广播坐标系之间的转换信息，让其他节点能够获取并使用这些信息。ROS导航栈提供地图构建和定位功能。规划从起点到终点的最佳路径。控制机器人按照规划的路径移动。ROS感知栈1传感器数据处理从各种传感器获取数据，例如激光雷达、摄像头、IMU等。2数据融合将来自不同传感器的数据融合在一起，形成更完整的环境感知。3目标识别识别环境中的物体，例如墙壁、障碍物、人和物体等。4地图构建利用传感器数据构建周围环境的地图，用于导航和路径规划。ROS控制栈运动控制控制关节运动，实现机器人运动轨迹规划和执行。力控制实现机器人对物体施加力的控制，用于抓取、操作和交互。视觉伺服利用视觉信息来控制机器人运动，实现对目标的跟踪和定位。ROS可视化工具ROS提供多种可视化工具，方便用户直观地观察和调试机器人系统。例如：**Rviz**：是一个强大的可视化工具，可以显示各种传感器数据，例如激光扫描、深度图像、点云、地图、机器人姿态等。**TFTreeViewer**：用于可视化机器人坐标系之间的转换关系。**Gazebo**：是一个强大的机器人模拟环境，允许用户创建复杂的虚拟场景，并进行机器人仿真和测试。ROS开发流程1创建工作空间建立ROS项目目录2创建节点编写ROS节点代码3编译编译ROS节点4运行运行ROS节点5测试测试ROS节点ROS编程实践语言选择ROS支持多种编程语言，如C++、Python和Java，选择合适的语言进行开发。节点创建创建ROS节点，并编写代码实现特定功能，例如传感器数据采集、控制执行器等。话题发布与订阅利用话题机制进行数据交换，发布者将数据发布到话题，订阅者接收数据并进行处理。服务调用使用服务机制请求其他节点执行特定任务，例如请求导航服务进行路径规划。参数设置配置节点参数，例如设置机器人模型、传感器参数等。调试与测试使用ROS提供的工具进行调试和测试，确保代码功能正常运行。ROS应用案例ROS在许多领域都有广泛的应用，例如：工业自动化：机器人焊接、喷漆、搬运等。服务机器人：家庭清洁、餐饮配送、医疗护理等。农业机器人：无人驾驶拖拉机、播种机等。科研教育：机器人研究、教学实践等。ROS未来发展趋势云机器人将机器人与云计算技术相结合，实现数据共享和远程控制，提高机器人性能和功能。人工智能集成机器学习和深度