【科普】干货！带你从0了解移动机器人(三) ——自主导航系统及上位机软件设计与实现

随着机器人技术的不断发展，我们可以在许多简单重复，危险的岗位上看到机器人的身影，移动机器人凭借其在复杂环境下工作，具有自行感知、自行规划、自我决策功能的能力，它可以在不同的环境中移动并执行任务，在人类社会中发挥着越来越重要的作用。但移动机器人拥有自主导航能力，才能进一步完成上诉所设定的任务。可以说自主导航能力是移动机器人最为基础和核心的技术，而上位机软件的实现与设计，则进一步推动机器人的完善发展。在前两篇文章中，我们介绍了移动机器人的基本概念和硬件组成，本文继续深入探讨移动机器人的自主导航系统及上位机软件设计与实现。

移动机器人的内载算法

为了实现移动机器人在未知环境的自主导航，就需要解决环境感知、地图创建、自主定位、运动规划等一系列核心问题，也就是移动机器人车载内算法的解决。移动机器人内部算法主要包括导航算法及运动控制算法。导航算法是指移动机器人在未知环境中通过传感器数据获取环境信息，规划路径并选择最优路径到达目的地的算法。运动控制算法是指移动机器人在到达目的地后，根据传感器数据调整方向和速度的算法。这些算法需要在移动机器人的控制器上实现，并与传感器、执行器等硬件进行交互。

在自主导航系统中，SLAM技术是通过激光雷达传感器，获取周围环境的信息，实现即时定位与地图构建的过程。相比于视觉传感器，激光雷达传感器不受环境光照的影响，对障碍物识别准确度与可靠性高。路径规划技术则是在SLAM建立完整地图基础上，按照某种评价指标寻找一条从起始点到目标点的最优无碰撞安全路径。

▲SLIM与各领域关系图

在运动控制算法方面，主要有闭环控制和开环控制两种方式。

闭环控制是通过传感器反馈来调整控制量，保证移动机器人按照规划路径顺利地到达目标位置。而开环控制则是根据预先设定的控制量进行运动控制，不考虑机器人当前状态的影响。开环控制相对简单，但精度较低，常用于一些简单的任务。

然而由于自主导航系统的定位、建图与导航等一系列操作较复杂，且移动机器人地图、数据信息和运行轨迹无法直观化，为此需要设计上位机将定位、建图与导航等功能集成到上位机操作界面，同时实时显示移动机器人地图、数据和运行轨迹。

移动机器人外部调度软件和管理平台

调度软件和管理平台是指在上位机（服务器）上实现的软件，用于对移动机器人进行远程管理和控制。

通过调度软件，可以实现对移动机器人的任务指派、路径规划、远程监控等功能。管理平台则提供了对多台移动机器人进行管理的功能，包括机器人的电量控制、状态监测、报警处理等。

上位机软件主要由２个主界面组成：主从机的登录通信模块以及移动机器人当前话题列表和运动信息显示界面、可视化界面以及移动机器人启动设置和控制模块显示界面。上位机利用全局规划与局部规划算法完成自主导航功能。上位机软件所实现的

主要功能如下

：１）建立主从机之间的通信：将两台电脑连接在相同的局域网下，通过上位机分别获取主从机的IP地址以及URL地址，再通过SSH协议让从机登录主机并且控制主机，从而完成登录通信过程。２）获取移动机器人当前话题列表及运动信息３）界面可视化及图层信息获取与发布位置信息４）启动设置与实现移动机器人控制

▲上位机工作流程图

移动机器人的自主导航系统及上位机软件设计与实现是移动机器人技术的重要组成部分，是实现机器人智能化的关键。

在现阶段发展的移动机器人中，底层核心技术的发展确实是非常重要的，相信在未来，随着机器人底盘技术的不断成熟，我们将会再更多公共场所看到移动机器人灵活的身姿。这些技术的应用将为仓储和物流等各行各业带来更高效、更智能的服务，具有重要的应用价值。