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系统架构图

ROS 两轮差速自主移动机器人

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ROS Noetic + ESP32 + J1900 + LiDAR 构成的两轮差速移动机器人平台。 内容覆盖电机 PID、SLAM 建图、导航、人体跟随，采用三机分布式部署。

CI License: MIT ROS Ubuntu Platform

核心功能

功能 技术栈 状态
SLAM 建图 S9 雷达（AA55 协议解析） + gmapping 实机验证
自主导航 AMCL 定位 + move_base + TEB 局部规划 实机验证
多点巡航 脚本启动 + YAML 巡航点 + 循环执行 实机验证
人体跟随 视觉测向 + 雷达测距，三态状态机融合 实机验证
EKF 融合 robot_localization（编码器里程计 + MPU6050 IMU） 已内置
仿真环境 Gazebo 空房间 + 差速插件 + 相同导航参数 可用

系统架构

三机分布：PC（计算）←WiFi→ J1900（车载采集）←USB→ ESP32（底盘控制）

ROS PC (Master)                    J1900 (车载)                     ESP32 (下位机)
┌──────────────────┐        WiFi  ┌──────────────────┐   USB   ┌──────────────────┐
│  SLAM / EKF      │◄─────────────│  s9_lidar_driver │◄────────│ 双路 PID          │
│  AMCL / move_base│   ROS Topics │  usb_cam+republish│  rosserial│ PCNT 编码器里程计  │
│  TEB / YOLOv8n   │─────────────►│  雷达+摄像头采集   │────────►│ MPU6050 IMU       │
└──────────────────┘   cmd_vel    └──────────────────┘  串口    └─────────┬────────┘
                                                                            │ PWM
                                                                       ┌──▼────────┐
                                                                       │ TB6612FNG │
                                                                       │ 左/右电机  │
                                                                       └───────────┘
数据流: LiDAR → /scan → SLAM → map → AMCL → move_base → /cmd_vel → ESP32 → PID → Motors

flowchart LR
    subgraph PC["PC · Ubuntu 20.04 · ROS Noetic (Master)"]
        SLAM[gmapping SLAM]
        EKF[robot_localization EKF]
        AMCL[AMCL 定位]
        NAV[move_base + TEB]
        VISION[YOLOv8n 视觉检测]
    end
    subgraph J1900["J1900 车载 · Ubuntu 20.04"]
        LIDAR[s9_lidar_driver.py]
        CAM[usb_cam + republish]
        SER[rosserial_python]
    end
    subgraph ESP32["ESP32 · esp32_firmware"]
        PID[双路 PID]
        ENC[PCNT 编码器里程计]
        IMU[MPU6050]
    end
    LIDAR -->|/scan| SLAM
    SLAM -->|map| AMCL
    AMCL --> NAV
    NAV -->|/cmd_vel| SER
    CAM -->|/image_raw/compressed| VISION
    VISION -->|/person_angle| NAV
    SER <-->|rosserial 115200| ESP32
    PID -->|PWM| M[TB6612FNG → 电机]
    ENC -->|/odom| EKF
    IMU -->|/imu| EKF
    EKF -->|odom→base_footprint TF| NAV
Loading

硬件

组件 型号 关键参数
下位机 ESP32-WROOM-32 PCNT 硬件编码器 + 双路 PID + IMU
车载工控机 Intel Celeron J1900 x86_64, Ubuntu 20.04, ROS Noetic
主控 PC 笔记本 ROS Master，SLAM/导航/视觉
激光雷达 S9-FSRD-V1.0 RX 115200, AA55 协议, 360° 扫描, 约 69Hz
电机 JGB37-520 ×2 12V, 减速比 1:10, 11 PPR 霍尔编码器
电机驱动 TB6612FNG 双路 H 桥，3.3V 逻辑直连 ESP32
轮子 85mm 橡胶轮 轮距 180mm（URDF、固件、仿真一致）
IMU MPU6050 I2C，用于 EKF 融合与激光去畸变
电池 3S LiPo 11.1V 5200mAh XT60 接口

引脚接线（TB6612FNG ↔ ESP32）

AIN1→GPIO25  AIN2→GPIO26  PWMA→GPIO18
BIN1→GPIO32  BIN2→GPIO33  PWMB→GPIO19
STBY→GPIO4(拉高)  VCC→3.3V  VM→电池12V

编码器: 左A→GPIO27 左B→GPIO23 右A→GPIO14 右B→GPIO13
MPU6050: SDA→GPIO21  SCL→GPIO22

原理图与 PCB

主控板为自行设计，2026-07 定版。

ESP32 主控板原理图 PCB 正面
左：主控板原理图，右：PCB 正面，集成电机驱动、编码器、IMU、rosserial 接口

PCB 反面
PCB 反面

软件栈

层 组件 说明
仿真 Gazebo / RViz 15m×15m 房间 + 差速插件 + 相同导航参数
建图 gmapping 订阅 /scan_deskewed（支持 IMU 去畸变）
定位 AMCL 100500 粒子（实物）/ 5003000（仿真），diff-corrected 里程计模型
规划 move_base + TEB navfn 全局 + TEB 局部，max_vel_x=0.6
融合 robot_localization EKF odom+imu → /odometry/filtered（30Hz）
通信 rosserial (115200) PC↔J1900 走 WiFi，J1900↔ESP32 走 USB
感知 YOLOv8n 人体检测，压缩图像流 (320×240)
控制 双路 PID（固件内） 速度闭环 + 堵转保护 + 看门狗

快速开始

1. 安装（完整步骤见 SETUP.md）

# Ubuntu 20.04 下安装 ROS Noetic 及全部依赖
sudo apt install ros-noetic-desktop-full
sudo apt install ros-noetic-gmapping ros-noetic-move-base ros-noetic-amcl \
                 ros-noetic-map-server ros-noetic-teleop-twist-keyboard \
                 ros-noetic-robot-state-publisher ros-noetic-topic-tools \
                 ros-noetic-robot-localization ros-noetic-teb-local-planner \
                 ros-noetic-tf ros-noetic-interactive-markers

2. 编译

cd ~/ROS
source /opt/ros/noetic/setup.bash
catkin_make
source devel/setup.bash

3. 仿真（无需硬件）

# SLAM 建图（另开终端，用 teleop_twist_keyboard 遥控绕场）
bash src/robot_sim/scripts/sim_slam.sh

# 建图完成后保存地图
rosrun map_server map_saver -f ~/maps/sim_map

# 导航（需先有地图）
bash src/robot_sim/scripts/sim_navigation.sh ~/maps/sim_map.yaml

4. 实物机器人（PC + J1900 + ESP32 + 雷达）

# 状态查看 / 建图 / 多点巡航 / 人体跟随 / 停止
bash src/robot_bringup/scripts/robot_start.sh status
bash src/robot_bringup/scripts/robot_start.sh slam
bash src/robot_bringup/scripts/robot_start.sh patrol ~/maps/lab_map.yaml
bash src/robot_bringup/scripts/robot_start.sh follow
bash src/robot_bringup/scripts/robot_start.sh stop   # 发送零速度

5. 单元测试

python3 -m pip install -r requirements-dev.txt   # numpy + pytest
python3 -m pytest tests -q
# 61 例回归测试：雷达协议解析+缓冲/跨零(23) + 跟随状态机(12) + 检测帧处理(9)
#               + 激光去畸变/IMU窗均值(11) + 巡航目标解析(6)
# 无需 ROS 环境：tests/conftest.py 提供 rospy/消息替身；CI 会在 ros:noetic 容器中执行全部测试

实测记录

实物机器人
两轮差速底盘：ESP32 主控 + J1900 车载 + S9 雷达 + 摄像头

实物运行演示视频
实物运行演示视频（MP4）

RViz 雷达建图 SLAM 建图
左：RViz 雷达点云建图，右：gmapping 建图结果

导航路径
多点导航路径

项目结构

ROS/                          # catkin 工作空间根
├── AGENTS.md                 # Coding Agent 项目指南
├── SETUP.md                  # 部署手册（环境/网络/接线/上电/FAQ）
├── src/
│   ├── robot_bringup/        # 实物包（PC + J1900 部署）
│   │   ├── launch/           # bringup/slam/navigation/follow/follow_vision/ekf/odom_ekf
│   │   ├── scripts/          # robot_start.sh / j1900_start.sh + 6 个 Python 节点
│   │   ├── config/           # ekf.yaml / patrol_goals.yaml / slam.rviz
│   │   └── urdf/robot.urdf   # 实物模型（轮距 0.180m）
│   └── robot_sim/            # 仿真包（仅 PC，Gazebo）
│       ├── launch/           # simulation / sim_slam / sim_navigation
│       ├── scripts/          # sim_slam.sh / sim_navigation.sh / sim_follow.sh
│       ├── urdf/ worlds/ rviz/ config/
├── esp32_firmware/           # ESP32 固件（Arduino 编译，独立于 ROS）
│   ├── esp32_firmware.ino    # 主固件（PCNT + PID + IMU + rosserial）
│   ├── esp32_board_test/     # 板级测试固件（单项验证）
│   └── libraries/ros_lib/    # vendored rosserial 库（已修复 ESP32 兼容）
├── tests/                    # pytest 回归测试（61 例，无硬件依赖）
├── assets/                   # 实物照片 / 演示视频 / 建图截图
├── tools/                    # 调试工具（不入部署链）
└── docs/                     # 架构图 / 开发指南 / 项目文档

文档

文档 内容
SETUP.md 部署：环境安装、网络、接线、首次上电、仿真与实物操作、FAQ
docs/ARCHITECTURE.md 系统架构：三机数据流、TF 树、节点/launch 清单、安全机制
docs/PROJECT_STATUS.md 组件状态矩阵、测试覆盖、已知限制、路线图
CHANGELOG.md 变更记录（来自 git 历史）
CONTRIBUTING.md 贡献指南：环境、测试、硬件安全、PR 流程（含英文摘要）
SECURITY.md 安全策略与漏洞报告方式
docs/MAINTAINER_WORKFLOW.md 维护者工作流：AI 工具链使用规范与人工审查要求
AGENTS.md Coding Agent 项目指南
docs/developer-guide.md 开发者工具链参考（MCP / Skills / Git 速查）
docs/system_architecture.png 系统架构图（可用 tools/generate_architecture.py 重新生成）

参与贡献

先读 CONTRIBUTING.md，接受 Issue 与 PR：

  • 报告 Bug 或提功能建议 → 新建 Issue
  • 提交代码 → fork 后提 PR，CI 会运行静态检查、容器内 catkin_make、pytest
  • 已知问题与路线图 → docs/PROJECT_STATUS.md

状态标记依据：标为“实机验证”的功能均有对应提交记录和实验数据。安全漏洞按 SECURITY.md 私下报告。

硬件安全

  • 启动后小车保持静止，遥控建图默认速度上限 0.3 m/s
  • robot_start.sh stop 向 /cmd_vel 发布零速度
  • 首次调试先架空轮子，或以低速（≤0.3 m/s）落地测试
  • ROS Master 只绑定局域网，不对外暴露

许可证

本项目基于 MIT License 开源。第三方组件（rosserial Arduino 库、YOLOv8、ROS 生态工具）遵循各自许可证。

About

ROS Noetic 两轮差速自主移动机器人：ESP32 底盘(PID/编码器/IMU) + J1900 车载(LiDAR/相机) + PC(SLAM/导航/人体跟随)，三机分布式全链路开源实现

github.com/lawliet206/ROS/blob/main/docs/ARCHITECTURE.md

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