第 2 章

使用硬件和传感器

开发自主移动机器人 (AMR) 涉及：

1. 仿真和搭建基础硬件平台
2. 向硬件平台添加传感器和计算板卡

如果想要在现有移动机器人平台上添加自主功能，可以从步骤 2 开始。

为移动机器人搭建硬件平台

复杂装置的硬件平台不仅包含机械组件，还包括传感器和嵌入式板。该平台可能包含激光雷达传感器和带有微处理器的电路。在开发物理硬件之前进行平台模型仿真，可以降低故障风险和开发成本。

基于模型的设计是一种有效的硬件平台开发方法。您可以通过此方法创建目标平台的仿真模型，以表示所有组件及其动力学约束。在各种真实情境下仿真目标行为可以减少开发时间并降低开发成本。Simulink 是基于模型的设计环境的事实标准，多年来一直担当着工程师的得力助手，现在也可以有效地帮助他们开发移动机器人平台。

从头开始开发硬件时，必须定义和分析架构以制定合适的规范，而软件设计必须与硬件的机械设计并行配置。系统可以表示为以组件和接口描述的架构模型，因此您可以使用 System Composer™ 和 Requirements Toolbox™ 创建或导入这类描述式架构模型。您还可以使用基于仿真的测试确认系统需求和验证系统架构。使用 Smulink 中基于模型的设计，您可以将需求转换并提炼为架构，其中的组件可直接进行仿真和实现。您还可以使用来自 Simulink 设计或 C/C++ 代码的架构元素填充架构模型。这些架构模型可用于分析需求、通过构造型捕获属性、执行权衡研究，以及生成规格。

定义并分析规格后，接下来是创建要控制的物理模型。您可以使用 Simulink 中的 Simscape™ 表示机器人的物理模型，包括用 Simscape Multibody™ 表示机械组件，用 Simscape Electrical™ 表示电气组件。Simscape 支持对物理组件进行直观建模，也支持基于传递函数等数学公式和试验数据进行建模。在 Simscape Multibody 中，您可以借助 CAD 导入功能利用现有 CAD 模型，从 SolidWorks^®、Autodesk Inventor^® 和 PTC^® Creo™ 等各种 CAD 工具中导入机械模型。

仿真和开发物理模型后，下一步是定义控制模型。要表示控制模型，需要包括多个组件（例如轮式编码器），具体取决于机器人的运动学运动模型。借助 Simulink，您可以对典型的 AMR 运动模型进行仿真，包括差速驱动或阿克曼转向。Control System Toolbox™ 和 Simulink Control Design™ 可以帮助开发控制模型，以用于基于传递函数的设计和 PID 控制。Stateflow^® 则是编写状态转移和流程图等逻辑的理想选择。借助这些工具，您可以通过集成了物理模型和控制模型的仿真来加快开发验证。

此外，您可以使用自动代码生成从控制模型生成 C 代码，以构建快速控制原型 (RCP)。RCP 提供了一种在真实机器上验证控制算法的方法，而无需为嵌入式板创建定点转换之类的模型。

使用 Simulink 进行基于模型的设计可以加快开发验证，让您能够高效、有效地仿真和搭建移动机器人平台。

收集传感器数据

搭建好硬件平台后，下一步是将一组传感器安装到该移动平台或车辆，用于收集传感器数据。传感器组可以包括多个传感器设备，例如相机、激光雷达、雷达、超声波传感器、全球定位系统 (GPS) 和惯性测量单元 (IMU)。这些传感器可提供各种信息，如到 AMR 附近的目标的距离。准确度很关键，因此传感器需要经过正确标定。为改善估计结果，需要融合来自多个传感器的数据流，这要求对传感器坐标系进行标定，并执行多传感器时间同步。

多传感器坐标系标定

融合来自多个传感器的数据时，您需要整合每个传感器的位置和方向才能识别环境。例如，使用单目相机执行位置估计需要内部参数（焦距、光心等）、外部参数（位置和方向）以及失真系数。此处，标定是指估计并修正这些相机参数的过程。Computer Vision Toolbox™ 提供了用于标定针孔和鱼眼相机的应用程序。Lidar Toolbox™ 支持在计算机视觉与激光雷达处理相结合的工作流中使用激光雷达相机交叉标定。

此外，传感器还需要基于其多个安装位置进行标定。为了结合运用单目相机这种传感器的目标检测优势与点云传感器的距离估计优势，您需要根据单目相机的坐标系来修正来自激光雷达或 RGB-D 相机的点云数据。

多传感器时间同步

集成多个传感器时，另一项重要任务是时间同步。不同传感器类型对应不同的参数，比如采样率、相位、抖动等。为了准确估计周围目标的位置，您需要知道正确的参数并同步时间戳。

您可以使用机器人操作系统 (ROS) 等中间件来整合不同采样率的传感器数据。各种传感器供应商都提供 ROS 驱动程序，您只要连接或订阅多个传感器即可轻松获得传感器数据。每个 ROS 节点输出的主题都带有时间戳，可以帮助管理时间同步。ROS 还提供了 rosbag 函数，可用于存储传感器数据供回放和分析。借助 ROS Toolbox，使用 rosbag 记录的带时间戳的数据可以在 MATLAB 和 Simulink 中回放以进行时间同步。