移动机器人/智能无人车教学实验室解决方案

方案简介

移动机器人/智能无人车教学实验室解决方案由教学和科研机器人专家——硅步机器人为高校机器人相关专业的实验教学量身打造。

该解决方案以Gaitech E100移动机器人教学平台为主要硬件设备，以流行的机器人操作系统ROS为软件环境，可开设与移动机器人/无人车结构与工作原理、ROS应用软件开发、移动机器人/无人车自主导航、传感器数据采集与融合、机器人视觉等内容相关的各种类型的实验。

移动机器人/智能无人车教学实验室解决方案配有完善的教程和实验指导书，可满足机器人相关专业多门课程多个实验/实践环节的教学需要。

适用专业 机器人、机械工程、电子信息工程、自动化等本科专业
实验设备和软件平台

移动机器人/智能无人车教学实验室主要设备由若干台Gaitech E100移动机器人教学平台及相应的外接传感器组成。

Gaitech E100是一款由硅步机器人专门为移动机器人实验教学研发的高性价比多用途移动机器人。E100拥有坚实的硬件平台和强劲的计算性能，内置先进的导航算法，完全支持机器人操作系统ROS，可外接激光雷达、RGBD摄像机、声呐阵列等传感器，具有良好的扩展性。此外，E100还支持云操控，用户可通过互联网对位于不同地方的一台或多台E100进行实时远程操控。

特征与优势

作为一款面向机器人相关专业实验教学的移动机器人平台，Gaitech E100具有如下特征和优势：

坚实的硬件平台

Gaitech E100拥有性能强劲的马达和坚如磐石的底盘，用户可以专注于应用开发而无需担忧动力传动系统。

强大的计算性能

Gaitech E100内置四核ARM A9树莓派3单板计算机，可安装和流畅运行Ubuntu和ROS机器人操作系统。

先进的导航算法

Gaitech E100内置先进的导航算法，能够在建筑物内的两个不同位置之间自主移动，灵活躲避障碍。

灵活的协同能力

不同的Gaitech E100接入同一ROS网络后可互相访问和协同执行某一任务。可与接入同一网络的其他机器人进行协同工作。

充沛的电源动力

Gaitech E100配备24V 最大容量为35安培小时的电池；同时，E100可提供12V 10A和5V 10A两种电源。

主要技术参数

Gaitech E100的主要技术参数如表所示：

负载 100kg 驱动系统 2x200w轮毂电机（差速驱动）
最大速度 2m/s 里程计 霍尔测距传感器，精度2mm
电源 5V/12V 7A直流电源 计算机 四核ARM A9 –树莓派3
软件 Ubuntu16.04，ROS Kinetic，Gaitech E100 ROS功能包 摄像头 单个向上摄像头
导航 基于上线基准的导航 外接传感器（选项） 声呐阵列、RGBD、激光测距仪等

软件平台

Gaitech E100采用ROS作为操作系统和软件开发环境。作为一款流行的机器人操作系统，ROS由一系列开源工具和先进算法组成，是一种跨平台模块化软件通讯机制，同时也是一个最活跃的机器人开发交流平台。

ROS具有点对点设计、不依赖编程语言、精简与集成、便于测试、开源以及强大的库和社区等特点，ROS通过代码复用可以极大提高机器人应用开发效率。

实验项目

移动机器人/智能无人车教学实验室解决方案可为用户提供验证性、综合性、设计性和创新性等不同类型的实验项目，可满足与移动机器人相关的基本实验教学、课程设计、毕业设计、创新创业实践等不同环节的实验/实践教学需要。

验证性和综合性实验

移动机器人/智能无人车教学实验室可开设的部分验证性和综合性实验项目如表所示:

序号 实验项目 建议学时 实验内容 实验目的
1 移动机器人组装与测试 4 观察E100的机械结构和电气连接拆卸E100组装E100开机测试E100 了解移动机器人结构组成及主要部件功能掌握移动机器人的工作原理熟悉移动机器人的组装步骤
2 移动机器人基本控制与测试 4 E100基本运动控制测试E100运动性能（最大速度、加速度、平顺性、通过性等）分析影响E100运动性能的主要因素 掌握移动机器人的基本控制方法掌握移动机器人移动性能的测试方法了解影响移动机器人移动性能的主要因素
3 移动机器人远程控制 6 远程电脑ROS安装与测试E100远程连接和配置远程桌面控制E100基本运动总结远程桌面控制和遥控器控制的异同 掌握ROS的安装步骤和测试方法掌握ROS下远程连接移动机器人的方法掌握移动机器人的远程桌面控制
4 ROS功能包测试 4 下载E100 ROS功能包测试E100 ROS功能包 掌握ROS功能包的下载和使用方法
5 连接和使用激光雷达 4 连接Hokuyo激光雷达访问激光雷达数据修改激光雷达数据 掌握激光雷达数据的访问、修改和使用方法
6 连接和使用RGBD传感器 6 连接RGBD传感器采集和显示RGBD图像在ROS中使用OpenCV处理图像 掌握ROS下连接和获取RGBD传感器数据的方法掌握使用OpenCV处理ROS图像的步骤
7 连接和使用声呐传感器 4 连接声呐传感器访问和使用声呐传感器数据 掌握声呐传感器数据的访问、修改和使用方法

设计性和创新性实验

除了验证性实验外，移动机器人/智能无人车教学实验室还可用于大学生课程设计、毕业设计、SRTP等所需要的设计性和创新性实验/实践需要。该实验室可开设的部分设计性和创新性实验项目如表3所示:

序号 实验项目 项目简介
1 移动机器人手势控制 利用E100前置的RGBD传感器采集人的手势图像，通过cv_bridge转换成OpenCV图像格式后进行处理和识别，识别结果转换成相应的运动指令，从而控制E100的前进、后退、停止、左转、右转等基本运动。
2 移动机器人远程视频监控 配置全景摄像头的E100在自主导航的过程中，采集前后左右四个方向的视频图像，通过无线网络将视频数据传输给连接至该机器人的远程桌面，从而实现远程视频监控。
3 多机器人协同 多台E100连接至同一ROS网络，通过远程桌面对连接至该网络的E100进行管理和指挥。在远程桌面的操控下，不同的E100既可执行同一任务，也可协作完成多个任务。
4 基于RGBD视觉的SLAM 视觉SLAM（Visual SLAM）包括使用单目SLAM、双目SLAM和以Kinect为代表的使用景深摄像头的RGB-D SLAM。本实验项目利用E100的RGBD传感器采集视频图像，经视觉里程计、后端优化、建图和闭环检测后实现定位与建图。
5 移动机器人自主导航 利用E100的RGBD传感器检测障碍的大小和距离，同时融合声呐传感器和激光雷达数据，完成障碍的精确定位，实现E100在未知环境中的避障和自主导航功能。
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