【自动驾驶】ROS小车系统
文章目录
本节将介绍关于小车的基本组成部分及其功能配置。
详细阐述了轮式运动底盘由哪些关键部分构成，并对其工作原理进行了分析。
对轮式运动底盘进行了系统的划分不同类别，并探讨了各类别之间的异同点。
本节旨在深入解析轮式机器人所采用的主要控制策略及其在实际应用中的表现特点。
分析了用于机器人感知的关键传感器类型及其在环境感知中的作用机制。
介绍了ROS平台中用于实现决策控制的核心模块功能及其协同工作流程。
系统性地阐述了ROS平台的基本功能架构和发展背景。
详细解释了ROS平台中所采用的标准坐标系定义及其实现方法。
探讨了ROS平台中涉及的关键单位制定义及其在机器人定位中的应用意义。
本节重点介绍了运动底盘与电气系统之间的基本连接关系及其实现方式。
详细描述了变压器模块在系统能量转换过程中的关键作用机制。
阐述了运动底盘电气连接设计的基本原则及其实现方案选择依据。
深入分析了ROS主控与传感器之间复杂的电气连接关系及其实现技术路径。
比较研究了ROS主控器与STM32控制器两种不同控制方式的功能特点及适用场景差异。
对运动力学基本组成框架进行了全面梳理，并对其主要功能进行细化说明。
重点分析电池作为能量存储设备的核心作用及其对系统性能的影响因素。
详细探讨电机驱动技术的核心设计要点及其对系统运行效率的影响评估方法。
深入解析控制器与驱动器之间的协同工作关系及其实现技术要点。
小车组成
轮式运动底盘的组成
• 电源电池
提供能源。
该控制器发送控制指令至执行机构，并经由放大模块将指令强度调节至适宜水平；同时支持集成化设计以实现功能模块的协同工作
• 电机、舵机
电能转化为动能的装置。
• 轮子
连接电机，根据应用需求选择不同的轮子。
• 运动底盘
以上4部分安装到车架上即可组成一个运动底盘。
轮式运动底盘的分类
轮式机器人的控制方式
感知传感器
ROS决策主控
ROS控制器的主要职责是接收来自各传感器的数据，并依据具体需求对数据展开处理与解析后指导机器人完成运动与抓取等操作任务。例如希望实现机器人追踪红色物体的功能时首先要由相机传感器捕获环境图像信息接着由ROS控制器识别红色物体的位置随后由ROS控制器指导机器人靠近并捕获该物体。 ROS控制器类似于一台小型化的运行着ROS系统的设备由于安装于机器人内部所以设计上必须小巧便携。
ROS介绍
ROS的最核心基础特性在于提供了一个统一的数据通信环境，在这个环境下，所有机器人和传感器的数据均可通过编程实现共享；该系统支持无线与有线网络的连接与通信功能。
ROS的坐标系
X轴代表前后延伸的方向，在x轴的正值部分向x增大的一侧发展；
Y轴代表左右延伸的方向，在y轴的正值部分指向左侧；
Z轴代表上下延伸的方向，在z轴的正值部分向上发展；
根据右手法则确定旋转的正向时态，则将手放置于该坐标系上并自然弯曲手指指向其规定的旋转向量；
由此可见，在ROS系统中运行的一台机器人的逆时针运动模式对应着其绕着坐标系Z轴进行正值旋转变换。
ROS的单位
ROS系统中的各种数值均采用国际标准单位，在实际应用中常见单位包括：
- 时间维度采用秒（s）表示
- 质量参数以千克（kg）为基准
- 空间长度以米（m）计量
- 角度大小则采用弧度（rad）来衡量
其中， - 线运动的速度值用米每秒（m/s）表示
- 线速度与角速度之分，则分别对应米每二次方秒（m/s²）
- 物体加速度的大小则以平方米每二次方秒（m/s²）计算
机器人电气连接
供电
供能
变压模块
ROS主控、传感器等电气设备对供电输入电压的规定多种多样。当实际供电电压超出设备规定范围时，则会产生过压现象导致设备损坏；反之若供电电压低于规定范围，则可能导致设备运行异常。相比之下电池输出端的电压基本恒定（在三元锂电池和磷酸铁锂电池中存在一定波动），因此当两者的工作参数不匹配时则需要采用变压模块将电池输出的电压转换至适合设备使用的数值后再进行供电。
电气元件的供电参数要求不仅包括电压还包括电流；电源的最大输出电流必须至少等于元件的工作输入电流；否则若电源输出的电流小于元件输入的最低要求，则可能导致元件无法正常工作于最佳状态。
这种情况下表明如果电源提供的最大稳定输出电流低于电路负载所需的最大稳定工作电流，则会导致电路无法正常运行。
此时电源的最大稳定输出能力由该电路负载决定；而实际应用中由于各种不可预见因素的影响；电路的实际负载工作状态决定了具体的输出参数需求。
运动底盘的电气连接
供电：源自电池电源，在T头线或其他分流线上进行分配传输至其他组件。
信号来源始于控制器，在多种专用连线材料的连接下最终实现对电机和轮子的驱动控制。
ROS主控与传感器的电气连接
依据不同的供电参数设置采用相应的供电方案以满足系统运行需求
传感器供电
对于大多数传感器来说,其标准工作电压为5伏(V)。通常情况下,可通过一条USB数据线将ROS主控设备的USB接口与之相连,从而实现电源供应和数据传输功能。
对于功耗较高的部分设备,则需分别使用两条USB数据线完成供电和通信过程。
具体而言,当电池电压处于工作范围内时,可直接采用电池作为电源;而当电池电量不足时,则需配备变压模块来完成电源转换。
此外,如其他电压需求或未提供足够5伏电源接口的情况,均可采用变压模块作为备用解决方案。
ROS主控的信息传输均采用USB接口进行，在涉及传感器和运动底盘的通信中
注
各种传感器（感知设备）借助USB数据线完成信号传输过程至ROS主控（决策单元）。这不仅提高了数据传递的效率，还确保了系统的实时性。
USB扩展坞/HUB
一般情况下,ROS主控通常仅配置有2-4个USB接口;当传感器数量超过该数量时,则需要使用USB扩展坞以支持额外的接口.
ROS主控和STM32控制器两种控制器的功能
运动底盘基本组成
电机、舵机、运动底盘、轮子、电源电池
• 电源电池
提供能源。
• 控制器和驱动器
控制器接受并执行系统发出的指令，并生成相应的控制信号，并发送底盘的运动状态数据到控制系统中；驱动器被放大后用于支持电机运行。支持驱控一体化方案设计。
• 电机、舵机
电能转化为动能的装置。
• 轮子
连接电机，根据应用需求选择不同的轮子。
• 运动底盘
以上4部分安装到车架上即可组成一个运动底盘。
电池
电芯类型方面，
常见的有两种：碳酸锂铁电池与三元锂电池。
这两种电芯各有优劣，
对比分析显示，
三元锂电池具有更高的能量密度，
能够更好地耐低温，
但充电速度较慢，
且成本相对较高等特性。
在选型时，
建议依据电压、电流、体积、容量以及保护功能等多个关键参数进行综合考量。
具体而言，
三元锂电池的剩余电量与其电压呈正相关，
而碳酸锂铁电池则呈现出阶梯状特征，
在90%-10%电量区间内电压维持稳定。
电池由多个电芯通过串联或并联方式构成。每个电芯具有额定电压：磷酸铁锂电芯为3.2伏特、三元锂电芯则达到3.7伏特。采用串联操作可提升电压水平（最高可达8伏特），而采用并联则可增加电池容量（最大可达18安时）。图中展示了四款不同规格的电池组：分别为7个串联后再并联一组（7串1并）、6个串联后再并联两组（6串2并）、接着是6个串联后再与四个串联单元并联（6串4并）以及最终一个由六个单元组成的较大规模电池组（6串8并）。根据能量守恒原理可知：电压与电流的乘积等于功率（即P=U×I），这二者共同作用决定了电池供电性能。运动底盘系统通常会从电机获取能量需求较高的电源供应；具体而言，在电机正常运转时其工作状态通常维持在额定功率范围内运行。对于电动驱动系统而言，在持续满负荷状态下运行至少需配备9.2安培特电流输出能力以满足多台电机同步工作需求
电池储能系统的关键参数包括储能容量（6100mAh）、最大运行里程（km）、恒定电流输出功率（W）等核心指标。其中：
- 存储容量即为电池在恒定电流输出下的持续放电能力。
- 充电时间计算公式为：充电时间（h）=储能容量（mAh） / 充电电流（mA），即充电时间=\frac{储能容量}{充电电流}。
- 电压输出维持稳定状态时的持续供电时长。
- 充放电效率直接影响电池循环寿命。
- 根据预算与底盘设计需求进行选择。
- 建议评估现有设备的兼容性，并在必要时考虑购买适配接口。
• 保护
短路、过流、过充、过放保护，支持边充边用，内置压力安全阀，阻燃板。
电机
电机是把电能转化为动能的装置。本节以直流电机为例讲解一般电机的构成：电机、编码器和减速器。
直流电机把电能转换为动能的原理为通电导线在磁场中会受到洛伦兹力的作用，电流越大，受力越大。所以提高输入电压，可以加大电流，
提高扭矩、转速。
编码器的作用是检测电机的转速，编码器的AB线会产生与转速成比例的脉冲，例如13线霍尔编码器，电机转子转一圈编码器的AB线各产生13个脉冲。转速检测用于实现电机的速度、位置闭环控制。
减速器的作用是提高扭矩，但是会降低转速。电机原始扭矩较小，扭矩不足容易导致堵转损坏电机，故需要减速器。假设电机使用减速比
为27的减速器，那么电机转子转27圈，电机最终输出轴转1圈。
电机的功率、体积、价格，基本成正比例关系，需要底盘设计者根据项目实际需求权衡选择。
舵机可以认为是一种特殊的电机，一般用于阿克曼底盘的前轮转向结构和机械臂上。
控制器与驱动器
控制器
负责接收速度控制指令，并生成相应的控制信号；同时发送底盘运动状态信息。
编码器转速反馈旨在让电机转速趋近于速度控制命令所要求的水平。
drive control module
drive motor 对于电压和电流的要求较高，在常规 controller 的最大输出功率范围内无法满足工作需求。因此，在 drive motor 的有效控制下通常会搭配具有放大功能的 drive control module 来完成任务。drive control integrated design
当 drive motor 的工作功率需求较低时，在设计上可以通过将 controller 和 drive control module 整合至同一个小型 control panel 中实现功能集成，并通过图示的方式展示了这种整合方案的实际应用效果。
