👍 〽️ 🌴 सेवा रोबोट टॉड। आरओएस के साथ पहला कदम 🙏🏾 🔈 🤳🏿

शुभ दोपहर, हब्र। हमारी टीम टॉड सेवा रोबोट विकसित कर रही है। हम एक बहुआयामी रोबोट बनाने का प्रयास कर रहे हैं, जो अपनी क्षमताओं में पीआर 2 विलो गैराज के रूप में मोबाइल रोबोटिक्स में इस तरह के झंडे के साथ प्रतिस्पर्धा करने में सक्षम होगा। हम छोटे से शुरू करते हैं, लेकिन हर दिन हमारा रोबोट नए कौशल हासिल करता है, नए सेंसर से लैस होता है। आप हमारे पिछले लेख में सामान्य रूप से किस सेवा रोबोट के बारे में जान सकते हैं, और आज हम टॉड नेविगेशन प्रणाली के कार्यान्वयन पर ध्यान केंद्रित करेंगे। आज हम आपको बताएंगे कि कैसे व्हील ओडोमेट्री के आधार पर अपने स्वयं के स्थान का निर्धारण करने और अल्ट्रासोनिक सोनारों से संवेदी डेटा प्राप्त करने के लिए नेविगेशन कार्य करने के लिए एक रोबोट को सिखाना है। इस सभी व्यवसाय को रोबोट ROS (रोबोट ऑपरेटिंग सिस्टम) के लिए ऑपरेटिंग सिस्टम के तहत प्रबंधित किया जाएगा, जिसने विभिन्न रोबोट परियोजनाओं में खुद को साबित किया है। बिल्ली के लिए आपका स्वागत है।

लेमैन के लिए, शब्द "रोबोट" सबसे अधिक संभावना है कि टर्मिनेटर की भावना में विज्ञान कथा फिल्मों से स्मार्ट ह्यूमनॉइड रोबोटों के साथ जुड़ा हुआ है। वास्तविक रोबोट और पारंपरिक मशीनों में क्या अंतर है? सबसे पहले, रोबोटों को स्वायत्तता है, जो मानवीय हस्तक्षेप के बिना स्वतंत्र रूप से निर्णय लेने की क्षमता में व्यक्त की जाती है।
एक स्वायत्त रोबोट को अपने लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए नेविगेशन समस्याओं को हल करने में सक्षम होना चाहिए। बुनियादी नेविगेशन कार्यों में विभिन्न प्रकार के सेंसर (रेंजफाइंडर, कैमरा, जीपीएस नेविगेटर, विशेष बीकन, आदि) से डेटा की व्याख्या के आधार पर पर्यावरणीय धारणा शामिल है, कार्यकारी निकायों का उपयोग करते हुए पर्यावरण के साथ मार्ग योजना और इंटरैक्टिव बातचीत , पहियों और जोड़तोड़।
उच्च-गुणवत्ता वाले नेविगेशन एल्गोरिदम जटिल गणित पर आधारित हैं, इसलिए कई शुरुआती रोबोटिक्स जैकबियंस और बटेरियन की गणना के साथ टकराकर, एक कैनेमैटिक मॉडल का निर्माण करने और संभाव्य एल्गोरिदम को लागू करने के बाद अपना उत्साह खो देते हैं। सौभाग्य से, आज आरओएस, प्लेयर और माइक्रोसॉफ्ट रोबोटिक्स स्टूडियो जैसे कई रोबोट फ्रेमवर्क हैं, जिनके साथ आवश्यक दृढ़ता के साथ शुरुआती भी अपनी परियोजनाओं में जटिल नेविगेशन और एआई एल्गोरिदम का उपयोग करने में सक्षम होंगे।

आरओएस और नेविगेशन स्टैक

हमारी टीम ने टॉड रोबोट के लिए ओपन-सोर्स रोबोट ऑपरेटिंग सिस्टम ढांचे का उपयोग करने का निर्णय लिया। आरओएस का उपयोग आज कई अनुसंधान समूहों और कंपनियों की रोबोट परियोजनाओं में किया जाता है। यह ढांचा हार्डवेयर अमूर्त, निम्न-स्तरीय डिवाइस प्रबंधन, बुनियादी कार्यों और एल्गोरिदम के कार्यान्वयन, प्रक्रियाओं के बीच गुजरने वाले संदेश और एक पैकेज प्रबंधक सहित पूरे ओएस के कार्यों के लिए सुविधाएँ प्रदान करता है। आरओएस में एक निष्पादन योग्य कार्यक्रम नोड्स का एक सेट है जो एक सामान्य विषय की सदस्यता लेकर आपस में संदेशों का आदान-प्रदान कर सकते हैं। ऐसे नोड्स को C ++ और पायथन में स्वतंत्र रूप से लागू किया जा सकता है। ROS पूरी तरह से Ubuntu के नियंत्रण में चलता है, विशेष रूप से, हम टॉड Ubuntu 12.40 और ROS Groovy के लिए उपयोग करते हैं। ROS, प्रलेखन, और अच्छे walkthroughs के बारे में अधिक जानकारी ros.org पर देखी जा सकती है।
नेविगेशन समस्याओं को हल करने के लिए, ROS एक नेविगेशन स्टैक प्रदान करता है। इनपुट डेटा के रूप में, स्टैक ओडोमीटर डेटा (रोबोट पहियों द्वारा यात्रा किया गया पथ) और सेंसर का उपयोग करता है, और आउटपुट पर यह रोबोट को गति गति नियंत्रण आदेश भेजता है। कुछ शर्तों को पूरा करने पर रोबोट पर नेविगेशन स्टैक का उपयोग "बॉक्स से बाहर" संभव हो जाता है:
- रोबोट को आकार में गोल या आयताकार होना चाहिए, और इसके पहिए गैर-स्वायत्त होने चाहिए, अर्थात। रोबोट के आंदोलन को पहियों के रोटेशन की दिशा के साथ ही किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, एक कार या साइकिल के पहिए गैर-आर्थिक हैं।
- रोबोट को कीनेमेटिक नोड्स और रोबोट के सेंसर के बीच के सभी ज्यामितीय संबंधों के बारे में जानकारी देनी होगी। यह जानकारी यूआरडीएफ मॉडल में निर्दिष्ट है, और नोड टीएफ एक समन्वय प्रणाली से दूसरे में रोटेशन मैट्रिसेस, यूलर एंगल्स और क्वाटर्न्स का उपयोग करके जटिल ज्यामितीय रूपांतरण कर सकता है।
- रोबोट को रैखिक और कोणीय वेग के स्वरूप में गति को नियंत्रित करने के लिए संदेश भेजने चाहिए।
- स्थान का निर्धारण करने और मानचित्र बनाने के कार्यों को हल करने के लिए, एक लेजर रेंजफाइंडर या 3-डी स्कैनर का उपयोग किया जाना चाहिए। हालांकि, यदि आप थोड़ा धोखा देते हैं, तो आप महंगे सेंसर के बजाय अन्य सस्ते एनालॉग्स का उपयोग कर सकते हैं: सोनार या इंफ्रारेड रेंजफाइंडर। इस मामले में, मुख्य बात संदेशों के सही प्रारूप का निरीक्षण करना है जो निष्पादन योग्य नोड में प्रेषित होती है।

आरेख नेविगेशन स्टैक के सामान्य लेआउट को दर्शाता है। तीर के बीच का पाठ नोड्स के बीच बदले गए संदेश के प्रकार को इंगित करता है। इस स्टैक में 3 प्रकार के नोड हैं:
- एक सफेद आयत में रखे गए नोड्स आरओएस द्वारा प्रदान किए गए हैं
- ग्रे आयतों में रखे गए नोड्स आरओएस द्वारा भी प्रदान किए गए हैं, लेकिन स्टैक पर उनका उपयोग वैकल्पिक है
- फ़िरोज़ा आयतों में रखे गए नोड्स हार्डवेयर-निर्भर हैं और उनका कार्यान्वयन आमतौर पर डेवलपर के कंधों पर होता है।
अब जब आरओएस नेविगेशन स्टैक का उपयोग करने की आवश्यकताएं ज्ञात हैं, तो हम इसे अपने टॉड रोबोट के अनुकूल बनाना शुरू कर सकते हैं।

बेस कंट्रोलर और मोशन कंट्रोल

बेस कंट्रोलर नेविगेशन स्टैक का नोड है, जो रोबोट की गति को नियंत्रित करने के लिए जिम्मेदार है। आरओएस एक मानक आधार नियंत्रक प्रदान नहीं करता है, इसलिए आपके रोबोट के लिए आपको अपना नोड लिखने या आधार के रूप में तीसरे पक्ष के ओपन सोर्स समाधान लेने की आवश्यकता है। रोबोट आंदोलन नियंत्रण आदेशों को ज्यामिति_msgs / ट्विस्ट प्रकार के संदेशों में cmd_vel विषय में बेस कंट्रोलर को भेजा जाता है।

geometry_msgs/Vector3 linear float64 x float64 y float64 z geometry_msgs/Vector3 angular float64 x float64 y float64 z

रैखिक वेक्टर x, y, z axes के साथ रोबोट के रैखिक वेग को परिभाषित करता है, और कोणीय वेक्टर x, y, z axes के कोणीय वेग को परिभाषित करता है। इसके अलावा, इन कमांडों को इंजनों के रोटेशन को नियंत्रित करने के लिए कमांड में परिवर्तित किया जाता है, और रोबोट एक निश्चित दिशा में चलता है।
वेग वैक्टर स्थापित करने का क्रम रोबोट के कीनेमेटीक्स पर निर्भर करता है। हमारा टॉड रोबोट डीसी मोटर्स पर आधारित दो-पहिया अंतर ड्राइव से लैस है, जो इसे एक आर्क में आगे, पीछे, या जगह में घुमाने की अनुमति देता है। इसका मतलब यह है कि ज्यामिति_msgs / ट्विस्ट संदेश में, केवल x अक्ष के साथ रैखिक वेग (आगे-पीछे की गति के साथ मेल खाता है) और कोणीय वेग z (शून्य गैर रेखीय वेग निर्दिष्ट करने के लिए चाप के साथ-साथ रोटेशन या आंदोलन से मेल खाती है) निर्दिष्ट किया जाएगा।

अंतर ड्राइव के साथ 3-व्हील रोबोट। स्टीयरिंग व्हील या बॉल जॉइंट रोबोट स्थिरता प्रदान करता है।

इन रोबोट गति को संबंधित इंजन की गति में परिवर्तित करना एक तुच्छ गतिज समस्या है जिसमें कुछ ज्यामितीय गणनाओं की आवश्यकता होती है।
हमने Pololu Dual MC33926 मोटर ड्राइवर शील्ड के साथ संयोजन में Arduino Uno को इंजन के रोटेशन को नियंत्रित करने के निम्न-स्तरीय कार्य को सौंपा, जो हमारे 12-वोल्ट इंजन के लिए आवश्यक शक्ति प्रदान करता है। आधार नियंत्रक को लागू करने के बाद, आप कीबोर्ड और ROS नोड turtlebot_teleop का उपयोग करके रोबोट की सवारी कर सकते हैं, जो ज्यामिति_msgs / ट्विस्ट बेस नियंत्रक संदेश भेजता है।

लाभ

ओडोमेट्री सबसे आम मृत रेकिंग विधि है। इस पद्धति का सार नक्शे पर किसी निश्चित बिंदु के सापेक्ष वृद्धिशील पहिया गति की गणना के आधार पर रोबोट की स्थिति निर्धारित करना है। आमतौर पर, ओडोमेट्री माप ऑप्टिकल डिजिटल एनकोडर पहियों पर या सीधे रोबोट मोटर्स पर लगाए जाते हैं। टॉड को मोटर शाफ्ट की क्रांति के 64 दालों के संकल्प के साथ डिजिटल एनकोडर से लैस किया गया है, जो पहिया की क्रांति के लिए 8384 दालों से मेल खाती है।

ओडोमेट्री ज्यामिति। एक रोबोट की स्थिति (x, y, थीटा) और dbaseline wheelbase चौड़ाई को देखते हुए, एक नई स्थिति (x ', y', theta ') की गणना करने की आवश्यकता है।

नेविगेशन स्टैक ओडोमेट्री डेटा प्राप्त करने के लिए nav_msgs / Odometry जैसे संदेशों का उपयोग करता है।

 std_msgs/Header header uint32 seq time stamp string frame_id string child_frame_id geometry_msgs/PoseWithCovariance pose geometry_msgs/Pose pose geometry_msgs/Point position float64 x float64 y float64 z geometry_msgs/Quaternion orientation float64 x float64 y float64 z float64 w float64[36] covariance geometry_msgs/TwistWithCovariance twist geometry_msgs/Twist twist geometry_msgs/Vector3 linear float64 x float64 y float64 z geometry_msgs/Vector3 angular float64 x float64 y float64 z float64[36] covariance

ज्यामिति_msgs / पोज़ संदेश रोबोट की वर्तमान स्थिति को तीन-आयामी स्थान और अभिविन्यास में निर्धारित करता है, जो कि अगर वस्तु तीन-आयामी अंतरिक्ष में घूमती है, तो आसानी से चतुर्धातुकता द्वारा गणना की जाएगी। ज्यामिति_msgs / ट्विस्ट संदेश जिसे हम पहले से ही जानते हैं, रैखिक वेग x और कोणीय वेग z को परिभाषित करता है।
चूंकि जब हम गणना करते हैं तो हम कई समन्वय प्रणालियों के साथ काम कर रहे होते हैं, फिर हमें नोड tf की आवश्यकता होती है। Tf नोड, रोबोट के URDF मॉडल के साथ काम करते हुए, नक्शे के वैश्विक समन्वय प्रणाली के लिए रोबोट के स्थानीय समन्वय प्रणाली से स्थिति को परिवर्तित करने के बोझिल गणना करने का ख्याल रखता है।

आरवीज़ सिम्युलेटर में ओडोमेट्री डेटा के साथ टॉड यूआरडीएफ मॉडल का दृश्य।

सोनार

रोबोट आसपास की दुनिया के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए विभिन्न प्रकार के सेंसर का उपयोग कर सकता है। सेंसर अपनी विशेषताओं में बहुत भिन्न होते हैं, उनकी सीमाएं, कमजोरियां और ताकत होती हैं, इसलिए उनके कई प्रकारों के संयुक्त उपयोग को सबसे अधिक फायदेमंद माना जाता है।
अल्ट्रासोनिक सोनार का उपयोग करके, आप ऑब्जेक्ट से रोबोट तक की दूरी को माप सकते हैं। सोनार टीओएफ (टाइम-ऑफ-फ्लाइट) तकनीक पर काम करते हैं। वे एक ध्वनि संकेत का उत्सर्जन करते हैं, जो मार्ग में निकटतम वस्तु से परिलक्षित होता है और एक प्रतिध्वनि के रूप में लौटता है। सिग्नल की "उड़ान" का समय निर्धारित है, और इसके आधार पर ऑब्जेक्ट की दूरी की गणना की जाती है।

सोनार बीप का उत्सर्जन करता है और गूंज के लिए "सुनता है"।

टॉड HC-SR04 सोनार का उपयोग करता है जो 0.03 मीटर की एक स्पष्ट सटीकता के साथ 0.2 से 5 मीटर की मापने की सीमा का समर्थन करता है। एक HC-SR04 का देखने का कोण 30 डिग्री है, और यदि आप कई सोनार को एक तरफ रखते हैं, तो आप एक बड़ा देखने का कोण प्राप्त कर सकते हैं। टॉड के सामने स्थित 3 सोनार 90 डिग्री का देखने का कोण प्रदान करते हैं।

आरओएस नेविगेशन स्टैक विभिन्न प्रकार के सेंसर से डेटा का उपयोग ओडोमेट्री प्राप्त करने के लिए कर सकता है, एक कमरे का नक्शा बना सकता है या बाधाओं से बच सकता है। सैद्धांतिक रूप से, कमरे के नक्शे के निर्माण के लिए सोनार का उपयोग करना संभव है, क्योंकि 12 या अधिक सोनार 360 डिग्री के देखने के कोण देते हैं और महंगे लेजर रेंजफाइंडर के लिए एक सस्ता प्रतिस्थापन हैं। टॉड एक नक्शा बनाने के लिए किनेक्ट का उपयोग करता है, जो कई संवेदी विशेषताओं में सोनार को पार करता है। हालांकि, यह सोनारों को छोड़ने का एक कारण नहीं है। किनेक्ट रोबोट पर काफी ऊपर चढ़ा हुआ है, जो आपको यह देखने की अनुमति नहीं देता है कि पहियों के नीचे क्या हो रहा है। सोनार इस अंधे स्थान पर कब्जा कर लेते हैं, जिससे रास्ते की योजना बनाने और बाधाओं से बचने की समस्याओं को सुलझाने में उपयोगी साबित होता है।
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, नेविगेशन स्टैक केवल लेजर सेंसर और 3-डी स्कैनर का समर्थन करता है। सोनार प्रणाली को नकली 3-डी स्कैनर के रूप में प्रस्तुत करके इस सीमा को दरकिनार किया जा सकता है। 3-डी स्कैनर तीन-आयामी अंतरिक्ष में एक बिंदु बादल का वर्णन करते हुए एक सेंसर_एमएस / पॉइंटक्लाउड संदेश का उपयोग करता है।

 std_msgs/Header header uint32 seq time stamp string frame_id geometry_msgs/Point32[] points float32 x float32 y float32 z sensor_msgs/ChannelFloat32[] channels string name float32[] values

सोनार संवेदी डेटा को x, y निर्देशांक और z के रूप में क्लाउड के प्रत्येक बिंदु को 0. के बराबर सेट करके इस प्रारूप में दर्शाया जा सकता है। इसी समय, प्रत्येक सोनार के लिए कई ऐसे बिंदु निर्धारित किए जा सकते हैं, जो क्लाउड के घनत्व को बढ़ाने के लिए संभव बनाता है। यह टॉड सोनार से संवेदी डेटा का दृश्य जैसा दिखता है।

Rviz में सोनार संवेदी डेटा का दृश्य।

आपका ध्यान देने के लिए धन्यवाद, आज के लिए बस इतना ही। अगले लेख में, हम अपने प्रयोगात्मक विषय के उदाहरण का उपयोग करते हुए आरओएस नेविगेशन स्टैक की क्षमताओं के बारे में बात करना जारी रखेंगे: हम टॉड किनेक्ट से कनेक्ट करेंगे, इसके साथ एक अपार्टमेंट का नक्शा बनाएंगे, हमें सिखाएंगे कि कैसे एक मार्ग की योजना बनाएं और बाधाओं से बचें।

सेवा रोबोट टॉड। आरओएस के साथ पहला कदम

आरओएस और नेविगेशन स्टैक

बेस कंट्रोलर और मोशन कंट्रोल

लाभ

सोनार

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