本帖最后由萤火虫创想于 2024-11-19 19:20 编辑

一、项目背景

小白机器人Newbot开源ROS机器人图1

相信大家都知道超能陆战队中的大白，拥有一台能行走，能看，能听会说，会思考的机器人，一定是很多科技爱好者的愿望，随着人工智能的发展，以及供应链和加工制造业的完善，离普通人造一台属于自己的大白机器人不再那么遥远。

小白机器人Newbot开源ROS机器人图2

由于时间关系和技术水平有限，所以本项目尽量简化了机器人的机械结构，设计了一台外观简约但是功能强大的桌面机器人，并且发挥我本职工作算法调包侠的优势，让他拥有了一颗聪明的AI大脑。

小白机器人Newbot开源ROS机器人图3

对于这个机器人的外观，有的人说像墨水瓶，有的人说像电饭锅，有的人说像托马斯小火车，有的人说像赛尔号，还有说像地雷的。我把它取名为“小白”，首先这个名字来源于电影中的“大白”，而它的外观小巧并且是白色的，其次“小白”在现代汉语中也有新手、初学者的意思，用来提醒自己要拓宽视野不断学习，也提醒机器人的AI模型要不断学习。

为了和大家一起交流和进步，现在将小白机器人的软硬件所有资料全部开源。下面分硬件、结构、软件三个方面向大家汇报一下小白机器人的技术细节。

二、硬件

1.硬件总体设计

做硬件，首先要确定一下小白机器人的核心CPU，有近些年火热的ESP32和昂贵的Linux SOC两种选择，最终还是选择了能跑Linux的RK3566芯片，虽然价格昂贵、功耗高、发热重、体积大，但是在Linux系统下编程更加自由，功能更加容易扩展，有大量的开源项目可供使用，不必自己重新造轮子，例如下文中会提到的强大的ros系统。
确定了处理器之后，机器人上肯定少不了一块液晶屏，为的是和用户进行人机交互，显示个表情包啥的，提供必要的情绪价值。
要想让机器人能看见这个世界，必须需要安装一个摄像头；要机器人能听会说，麦克风和扬声器也是必须要的；要实现机器人能走路，最简单的方式就是安装两个差速轮，并且为了支持它到处跑，电池供电也是必不可少的。
另外为了机器人在室内环境中能够避障和导航，我还为小白机器人的顶部配备了单线激光雷达；为了实现机器人常见的离线命令词控制，内置了离线语音芯片；为了实现待机充电，在机器人内部做了电源切换和充电电路。

最后确定下来的硬件整体框架如下：

2.采购清单

硬件采购清单如下，仅供参考（以下不包括底盘PCB单面SMT用到的元器件，如果两面全手工焊接需要根据原理图另行购买元器件）：

3.原理图和PCB

主板采用了现成的香橙派3B，而STM32控制板需要在嘉立创打样完成，主要是用于电源管理和移动底盘控制：

另外还有比较简单的电池盒转接板、USB线转接板、USB串口板：

4.硬件参数

项目	参数
产品型号	newbot1.0
主芯片SOC	Rockchip RK3566
CPU	四核64位Cortex-A55 1.8GHz
NPU	1T算力支持TensorFlow/ONNX/PyTorch模型转换
VPU	H.264/H.265/JPEG硬件编解码
RAM	LPDDR4 2GB
ROM	eMMC 32GB
Wi-Fi+蓝牙	Wi-Fi 5+BT 5.0
控制芯片MCU	STM32F103C8T6
电池容量	两节18650共7000mAh 3.7V
机器人尺寸	直径12cm 高度约10cm
摄像头分辨率	1280x800 30FPS
屏幕尺寸	1.28寸SPI圆形屏幕
操作系统	Ubuntu20.04
ROS版本	ROS1 Noetic

三、结构

1.外观设计

对于结构部分，小白机器人的外壳采用工业界常用的Solidworks软件进行绘制。

注意：3D打印采用光固化打印，没有尝试过普通的FDM打印机。

2.内部结构设计

小白机器人充分利用了壳体内的空间，在直径12厘米的圆柱体内，从下至上大致分成了电机、电池、主板、激光雷达四层空间，做到了体积小巧但功能丰富。

3.激光雷达的安装

目前支持YDLidar X2、M1C1_MINI、乐动LD14等多款雷达，YDLidar X2的雷达孔位，也适用于顶部有个小红点的乐动LD14，但是M1C1_MINI的孔位距离更长，具体细节可参考雷达手册。

小白机器人的接口线序和组装详细步骤也放到了项目主页，您可以从零开始一步步组装好机器人的每一个零件。

注意：根据激光雷达的类型不同，孔位位置不同，要选用不同的上壳结构：

四、软件

1.软件整体框架

(1)ROS系统简介

ROS（机器人操作系统，Robot Operating System），是专为机器人软件开发所设计出来的一套电脑操作系统架构。小白机器人的软件在ROS框架下构建，需要掌握ROS基本的命令行工具、可视化工具、工程编译方法、ROS Launch文件、C++和Python语言等ROS开发基础。

推荐ROS入门课程：

ROS官方教程 https://wiki.ros.org/cn

古月居GYH 【古月居】古月·ROS入门21讲 | 一学就会的ROS机器人入门教程

机器人工匠阿杰机器人操作系统 ROS 快速入门教程

ROS包括了通信机制、开发工具、应用功能和生态系统四个部分：

ROS的通信机制主要有Topic、Service、Action三大方式，最常用的是Topic：

ROS常用的可视化工具有rviz、rqt、rqt_image_view、rqt_graph、rqt_plot等，ROS主要应用于移动机器人底盘（SLAM、NAV）、机械臂（MoveIt）和底盘与机械臂结合的复合机器人。

(2)本系统的主要软件功能

这是本项目的三大主要软件功能，包括了语音交互、图像识别、移动导航。

(3)本系统的ROS节点图

左侧是图像的采集处理流程，先读取USB相机原始的JPEG格式数据，然后解码和缩放，送入yolov6处理模块，处理得到检测框和绘制了检测框的图像，然后送入跟踪模块，得到绘制了跟踪结果的图像，最后送到JPEG编码节点，发布出去方便电脑或手机接收查看。

注意这里的解码、缩放以及最后的编码都是调用了RK3566的硬件编解码能力，而yolov6使用了RK3566 RKNN的AI加速能力。

右侧是其他处理流程，包括了底盘控制节点base_control，雷达驱动节点/m1c1_mini，离线唤醒命令处理节点wakeup_process，纯python编写的语音处理节点audio，精确移动和旋转命令执行节点/move_client_cmd和/move_server。下文会对核心的几个节点做简单介绍。