一种基于ROS的集群无人车能源供给系统及其执行方法

本发明涉及ros智能无人车，具体提供了一种基于ros系统，配备激光雷达，能实现多车自主协同建图导航，云端同步更新数据的多车集群技术。主车缺电时电源供给车自动前往主车位置，通过无线充电模块实现自动对准与能源补给。

背景技术：

1、在如今自然灾害频发的大背景下，无人车在抢险救灾领域发挥着越来越大的作用。无人车在对灾区进行探索的时候，受限于复杂的地理环境，单个无人车往往难以在黄金时间段内绘制出详尽的灾区三维地图。此外，由于适用于抢险救灾的无人车往往需要足够的灵活性，其电池容量就会受到物理限制，难以满足实际需求。

2、为了解决这些问题，部分科研人员提出一种理念，可以将多个无人车进行功能上的分化，以提高不同工种在特定领域下的专用性。具体反映在抢险救灾领域，部分针对能源保障领域，由多种分化后车种组成的集群被提出。然而，技术查找表明，能实现实时通信，全局性精准位置确认，协同绘制地图的高级无人车集群仍是一片空白。

3、关于能源保障无线充电的研究。国内外在军事、民用领域的无线供电技术及其在多领域方面的应用已经有了初步发展，并且已在部分领域展现了其优越性。因此，为应急智能装备添加自主无线充电功能，研发能源保障机器人，是具有其重要意义且具有紧迫性的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供了一种能实时保障集群无人车能源供给，大幅提高抢险救灾中灾区建图效率，通过服务器实现远程监控与指令下发的系统性解决方案。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于ros的集群无人车能源供给系统，该系统包括两类ros无人车，与其相匹配的本地ros系统算法与云端服务器控制应用；

3、其中，第一类无人车具有较低的质量与较强的灵活性，后续简称为抢险救灾无人车，这类无人车结构分为两层，第一层由底盘控制系统与电池组成；第一层包括金属基板(a1),其上有四只麦克纳姆全向轮与12v电机(a2)连接；第一逻辑信号电平转换模块(a3)一端连接二枚第一直流电机驱动模块(a4)，另一端连接第一arduino mcu(a5) 以传输中断返回信号；第一dc降压模块(a6)一端连接12v第一电池(a7)，另一端连接第一树莓派(a8)；第二层由主控通信系统，建图导航传感器系统与无线充电系统组成；第二层包括第一树莓派(a8), 第一激光雷达(a9)、rgb-d深度摄像头(a13)均连接在第一树莓派(a8)上；3d打印无线充电线圈对接组件(a10)固定在金属基板上；第一磁谐振无线充电模块(a11)通过dc-dc稳压电源模块(a12)连接在第一电池(a7)上；终端上位机通过无人车生成的局域网向第一树莓派(a8)发送指令信息，同时接收其上传的实时参数与建图信息，这些数据会进一步上传至服务器，并于远程控制端通过可视化操作界面对全局信息进行呈现与操作；

4、第二类无人车具有较大的电池电压、容量与较弱的机动性，后续简称为能源保障无人车；这类无人车结构上也分为两层，第一层由底盘控制系统与电池组成，该层包括特制亚克力基板(b1) ,其上有四只麦克纳姆全向轮与12v电机(b2) 连接，第二逻辑信号电平转换模块(b3)一端连接二枚第二直流电机驱动模块(b4)，另一端连接第二arduino mcu(b5)；第二dc降压模块(b6) 一端连接24v第二电池（b7），另一端连接第二树莓派(b8)；二枚第二dc降压模块(b9)一端连接第二电池（b7），另一端连接第二直流电机驱动模块(b4)；第二层由主控通信系统，建图导航传感器系统与无线充电系统组成；该层包括第二树莓派(b8)，第二激光雷达(b11) 均连接在第二树莓派(b8)上； 3d打印无线充电线圈组件 (b10)通过稳压供电模块(b12)连接在第二电池（b7）上；在3d打印无线充电线圈组件(b10)上还连接有两枚超声波模块(c2)，用于精准定位；终端上位机通过无人车生成的局域网向第二树莓派(b8)发送指令信息，同时接收其上传的实时参数与建图信息，这些数据会进一步上传至服务器，并于远程控制端通过可视化操作界面对全局信息进行呈现与操作；

5、对于无线充电系统，对接所用的两个相对应的3d 打印部件(c1)和连接在该3d部件上的用于精准定位的两枚超声波模块(c2)都固定在第二类无人车的一面；其中还包括被固定在该3d打印部件(c1)上的第二磁谐振无线充电模块(c3)；在基于超声波模块(c2)的对接完成后，该磁谐振无线充电模块还通过稳压充电模块(b12)连接在第二电池（b7）上为其充电；

6、在远程上位机显示程序中，用户需先点击 start按钮开启连接，服务器的连接状态在start按钮上方的文字栏显示；当文字显示已连接时，小车们的充电信息，电量和行动状态将在右侧面板上显示；同时，建图信息也会在左侧的图片窗口中展示出来，所有的信息都会在建立连接的情况下实时更新；用户也可通过强制充电按钮手动让小车执行充电操作；在用户需要退出时先按下stop按钮断开连接，以此让该程序停止接受数据，服务器和小车将仍在后台运行。

7、本发明的技术方案如下：一种基于ros的集群无人车能源供给系统的执行方法，该方法包括：

8、第一步，两类无人车被放入需要探索的区域；在启动电源后，无人车自动完成开机自主检查，无误后自动执行预设程序，启动ros系统及其相关launch节点，设置各传感器驱动及其信息流传输话题；最后通过自主生成的局域网进行集群与上位机之间的连接与数据流订阅；

9、第二步，当上位机通过服务器端的管理员权限下发启动联合建图的指令后，两类无人车启动指定ros程序；第一树莓派(a8)和第二树莓派（b8)分别通过第一激光雷达(a9)和第二激光雷达（b11)30hz频率采集的周边环境数据、第一arduino mcu(a5）和第二arduino mcu（b5)接收的由电机霍尔编码器采集的轮速数据通过融合算法共同作为odom里程计的数据积分参考对象，最终计算出当前单个无人车的实时速率及其积分后在本地地图中的行驶轨迹；

10、第三步，两类无人车分别将第一激光雷达(a9)和第二激光雷达（b11)获取到的数据通过第一树莓派(a8)和第二树莓派（b8)上传至上位机，经过cartographer算法处理，平滑硬件上难以避免的噪声误差，进行多栈堆叠融合，快速建图并对障碍物与未探索完全的伪边界进行标记处理；在此过程中，上位机中的map merge节点会自动查找订阅两类无人车发布的地图话题数据，实时接收并进行特征点匹配算法，将两类车各自建的地图大框架进行融合，产出具有全局效应的汇总地图；map merge算法能在未知两类无人车初始坐标关系的情况下，不断判断并修正两类无人车之间的相对坐标，最终使两类无人车能互相确认位置信息，实现厘米级的全空间信息共享，供后续全局导航与集群内定位对准使用；

11、第四步，第一类抢险救灾无人车额外装备的rgb-d摄像头(a13)适用于传输rgb三通道图像，通过第一树莓派(a8)上传至上位机；同时上位机启用rtab三维建图算法，利用摄像头水平45度内深度视场，在二维激光雷达的约束下将二维地图拓展为点云构造性的三维地图，使待探索区域得以以全彩三维的形式直观呈现。第二类能源保障无人车由于车上的大容量电池，灵活性相对偏低，但也会伴随第一类抢险救灾无人车，在其工作探索的时候辅助建图，以同时保证能源供给与建图效率；

12、第五步，当第一类抢险救灾无人车电量低时(预设程序为20%以下)，会将低电量信号通过第一树莓派(a8)发送给上位机，上位机下发待充电无人车的空间坐标给距离较近的能源保障无人车。收到指令的能源保障无人车通过move base节点预设的参数自动规划出移动到待充电无人车之间最优全局路径，并在运行中实时监测与更新障碍物信息，获取cost map代价地图以优化局部路径解。当距离达到粗定位阈值(默认为距离小于20cm，方向车尾对车尾角度偏差小于10°)时，第二树莓派(b8)将下发指令于底盘控制系统，将其主控板第二arduino mcu(b5) 切换为精准对准程序；

13、第六步，第二arduino mcu(b5) 启动位于能源保障无人车尾部的两个超声波模块(c2)，获取两车毫米级的距离数据。通过pid算法，能源保障无人车会自动调整与抢险救灾无人车的距离和方向。当两个超声波模块绝对数据差在0.5cm之内(即角度小于5°)，平均值在5-8cm的范围内时，对准完成，无线充电系统开始为抢险救灾无人车充电；

14、第七步，第二arduino mcu(b5) 在接收到对准完成信号时通过无线供电线圈组件里的继电器导通无线充电系统发射线圈与24v第二电池（b7）所在回路，使电池为发射线圈模块供电，通过磁谐振供电原理实现发射线圈与接受线圈的能量转移，无线接受线圈组件经过整流电路和12v转5v的dc-dc稳压电源模块(a12)为抢险救灾小车车载12v电池供电(a7)；

15、第八步，当抢险救灾无人车充满电时，第一树莓派(a8)会将满电标记符发送给上位机。上位机发布停止充电话题后，能源保障无人车会将底盘控制系统中的第二arduinomcu(b5) 精准对准程序重置回底盘控制程序，进而使能源保障小车和抢险救灾小车继续工作；

16、在整个过程中，上位机都会将实时数据发布给服务器，在用户远程控制端操作界面能看到整个探索区域的地图与无人车集群中每一个无人车的位置信息与电量信息；在有抢险救灾无人车需要充电时，用户操作界面会显示该无人车，并在充电过程中显示充电电压信息；在无人车集群的过程中，用户通过远程控制端操作界面强制抢险救灾无人车充电或在充电过程中结束充电；当能源保障无人车电量低时，也会显示在用户操作界面。

17、小车端上传流程(d1)包括读取传感器所收集的数据和ros系统的建图信息，通过与服务器建立socket连接的方式将数据切块上传。远程用户接收端(d2)则是直接与服务器建立socket连接，通过服务端的基于http协议的图片传输方式下载并展示建图情况。对于其它文本数据包括小车电量、小车情况则由socket协议传输json文件以便于客户端读取并展示。