面向互联网的服务机器人软件系统设计与实现

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服务机器人是一种拥有半自主或全自主控制能力的机器人。随着我国老龄化社会和残疾人等服务需求的提高,服务机器人将在我们的生活中扮演越来越重要的角色。自主移动平台技术是开发机器人的基础,针对各个应用领域,设计并实现服务机器人软件系统是开发服务机器人的首要前提。针对各个应用领域的服务机器人的现状以及所面临的通用性及传输协议僵化等难题,本文设计并实现一种通用的面向互联网的服务机器人软件系统。本文主要贡献包含以下几方面:(1)设计并实现了面向互联网的服务机器人软件系统的远程控制功能。该系统允许客户端在可连接Internet的网络中通过机器人ID远程控制机器人,并执行远程遥控、图像监视、地图创建、自主导航任务;(2)设计并实现了适用于服务机器人的机器人本体管理系统。该系统包含高级传感器系统及机器人底层驱动系统。其中,高级传感器系统运行于运行ROS的微处理器平台上,负责处理复杂且实时性要求较低的图像、语音等传感器数据。机器人底层驱动系统运行于嵌入式微控制器平台,用于处理电机驱动板、碰撞传感器、IMU等对实时性要求较高的数据。两个系统通过串口通信并使用Protocol Buffers序列化传输结构数据。通过该设计实现了对不同实时性要求的机器人系统组件的结合,实现了机器人底层驱动与高级传感器系统的解耦,使得相同的上层开发板系统可方便移植至不同的机器人底盘系统中;(3)设计并实现的适合互联网机器人远程控制的传输协议RUDP。该协议运用UDP实现了可靠的ROS数据传输功能,解决了原有使用TCP的Rosbridge适用环境狭窄、灵活性差、协议僵化不便优化等问题。同时,该协议还实现了数据加密及以ROS主题为分类的数据分级传输的功能。数据分级使得本系统在运行于低质量网络时优先保障体积小但对系统控制较为关键的数据可以在较低的延迟下穿越互联网,保障该环境下机器人系统的实时性和可用性;(4)设计并实现了适用于互联网的机器人远程连接系统。该系统会利用多播域名解析系统和通用即插即用协议,对机器人和客户端所在的网络环境进行探测,并在注册服务器的协调下实现基于ID的机器人设备发现、连接认证、地址信息交换、发起连接的流程。该系统会在网络环境符合条件的时候使用点对点连接的方式建立机器人与客户端之间的数据连接,且在点对点连接不可用的时候通过中转服务器中转作为回落连接手段。注册服务器使用安全Web Socket及HTTPS保护与机器人和客户端的连接安全并使用X.509 v3数字证书进行双向身份认证。该设计使得用户可以在无需了解网络环境及进行具体网络设置的情况下也可使用本系统安全地进行机器人远程控制,提高了系统易用性。同时,通过主动探测网络、积极使用点对点连接、使用中转服务器作为回落连接手段等设计,可以在维持系统在所有网络中可用的前提下,扩宽点对点连接的适用范围,充分利用点对点延迟更低、带宽更充足的优势;(5)最后,针对以上系统的预期功能及设计目标,在实验室的实体机器人上设计并实施了三个实验,实验结果表明本论文设计的面向互联网的服务机器人软件系统具有结构合理、使用方便的特点,具有较大的应用推广价值。系统可在预期的三种网络场景中使用点对点连接。系统实现的RUDP协议在低质量网络下可实现分级数据传输功能,较好地保障高优先级数据的传输实时性。
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