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基于ROS的全向移动机器人系统设计 摘要 本文以四麦克纳姆轮全向移动机器人的系统为主要学术研究课题对象,分析和探讨设计基于ros的2d激光雷达自动定位导航系统。在ros自主开发的技术平台下,根据智能层次化、模块化的系统设计结构理念,建立了基于智能混合式和软硬件设计结构的智能全向移动式导航的全向移动机器人和本导航系统的整个技术总体设计规划理念和技术框架,进而初步搭建了本导航系统所有的需要设计涉及的全部系统数学设计模型。 首先,说明了课题研究的历史背景,介绍了国内外研究工作的现状以及全向移动机器人的研究意义。对本文全向移动机器人所使用到的概念进行了具有系统性的阐述。包括了ros系统的基本概念、麦克纳姆轮、传感器数据、坐标转化、 slam算法及移动机器人的运动。并详细说明ROS系统的组成及功能。 其次讨论了里程量测算模型、 imu数据模型、激光雷达模型等相关技术。对里程计与IMU测量模块工作原理进行了简要的阐述，同时对激光传感器的测距原理及数据处理进行了说明。其次分析说明了全向移动机器人的运动模型。 最后主要是对全向移动机器人总体设计框架进行了一个系统的解释介绍。同时说明了控制系统的软件框架,主要可以细化为上位机ros平台控制和下位机基础的底层控制。由此完成了整个基于ros的全向式移动机器人系统的设计,系统经过下位机直接地完成了各个传感器的数据采集和定位算法。并直接地实现与ros系统各级电机之间的数据交互，同时对移动式电机的工作状态进行了控制。上位机ros系统将所接收的数据经粒子滤波slam算法,构建了一条全局路径,从而可以使四麦克纳姆轮全向移动机器人基于ros下完成了三个自由度的运动。 关键词：传感器模型；ROS系统；Meca
num轮；全向移动机器人；2D激光雷达 目录 摘要................................................................. 9 ABSTRACT .............................................................. 10 目录................................................................ 12 1绪论............................................................. 1 1.1课题来源1 1.2课题研究背景与意义1 1.3国内外研究现状分析1 1.3.1国外研究现状1 1.3.2国内研究现状2 1.4内容安排3 2总体概述......................................................... 5 2.1ROS系统基本概念5 2.1.1计算图级层6 2.1.2单元模块介绍6 2.2件系统级层6 2.3麦克纳姆轮7 2.4传感器数据7 2.5SLAM 8 2.6移动机器人运动8 2.7本章小结8 3全向移动机器人系统模型............................................ 9 3.1前言9 3.2里程计模型9 3.3IMU数据模型9 3.4坐标系统10 3.5激光雷达模型12 3.5.1激光传感器工作原理12 3.5.2激光传感器数据处理13 3.6全向运动模型13 3.7地图模型15 3.8本章小结16 4全向移动机器人总体设计规划....................................... 17 4.1机器人系统总体规划17 4.2硬件系统组成18 4.3控制系统软件结构19 4.4本章小结19 5全向移动机器人硬件设计........................................... 20 5.1引言20 5.2硬件设计架构20 5.3机器人本体21 5.3.1机器人轮系结构21 5.3.2机器人设计参数22 5.3.3驱动单元设计23 5.4运动控制层24 5.4.1底层控制模块24 5.4.2直流减速电机25 5.4.3电机驱动板26 5.4.4惯性测量单元27 5.5信息处理与决策层27 5.5.1信息处理和决策层的核心模块27 5.5.2激光雷达28 5.6用户交互层28 5.7本章小结29 6全向移动机器人控制系统设计....................................... 30 6.1前言30 6.2上位机操作系统30 6.3下位机控制系统设计32 6.3.1下机位系统32 6.3.2硬件电路设计34 6.3.3电机控制34 6.3.4导航控制策略35 6.3.5底盘通信方案设计36 6.4上下位机之间的串口通信37 6.5本章小结37 7实验与调试...................................................... 38 8总结与展望...................................................... 42 8.1总结42 8.2展望42 参考文献.............................................................. 43 致谢................................................................ 45