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??这是我和 sszxc 为本学期《机器人软件工程》课程所做的的课程设计，整个项目开发历时 1 个月，模型全部在 Webots2020a 中搭建完成。为完成在仿真环境下的超市自主装卸货物任务，我们设计了一套复杂的控制器进行运动控制。演示视频：基于Webots平台的超市补货机器人。
??如图所示，超市中 A,B,C,D 四个货架上各有12个货窗，每个货窗里最多可以摆放1件货物，现每个货架上都有至少3个货窗缺少货物。
??要求设计并制作一台自主超市机器人。机器人从场地的红色“起点区”出发，完成货物的补货操作，最后回到起点。
??题目比较开放，我们自行拟定的任务需求是：
??创建仿真测试场景如下，其中 A、B、C、D 分别为四个货架，4 个橙色点为巡逻定点。
遵照软件工程复用思想，将例程中“KUKA youBot”的麦克纳姆轮打包成PROTO，从而实现麦轮节点的复用。四个麦轮直径0.10m，通过HingeJoint安装在车身主体结构上；
车身整体尺寸为0.59m×0.40m×0.64m（长宽高），搭建车身时采用模块化设计，主要分为车身、机械臂两部分。车身主要由Transform、Shape嵌套而成，主要利用到的几何体包括Cylinder、Box等；机械臂主要是在Pioneer3所配置的机械臂的基础上进行适当改造，包括尺寸、电机扭矩及直线电机伸展长度等，同时在机械臂的抓手增加了一对力传感器，以实现对物品抓取力度的精准控制；
机器人配置的摄像头分辨率为256*128，视角1.8，配备Webots自带的Recognition API，一定程度上减少了物品识别的难度，使仿真专注于整体软件功能的开发，体现了离线编程的优势；
为了实现更精确的物理仿真，我们还对机械臂抓手、麦轮的摩擦力参数进行了设置，以保证机器人能够在当前环境保持正常的运动；此外，还设置了合适的车身重量，以保证车辆的运动性能更加优越、抓取稳定性更好。
??为方便进行机器人各运动状态之间的复杂控制，设计状态机如下：
switch (*main_state)
{
case Init_Pose
case Recognize_Empty
case Arround_Moving
case Grab_Item
case Back_Moving
case TurnBack_To_LoadItem
case Item_Loading
case RunTo_NextShelf
default
}
Init_Pose 为初始默认进入工作区状态，到达指定位置后跳转到 Recognize_Empty，对货架进行识别。
Recognize_Empty 为识别空货架状态，这个状态主要调用了识别货架的函数，识别完成后将货架上的货物状态更新到数组，若有缺货则进行补货判断，计算出需要的货物名称以及需要放置的位置，然后跳转到 Arround_Moving 寻找货品；若没有缺货则跳转到RunTo_NextShelf 状态，前往下一个货架进行检测。
Arround_Moving 为环游巡检状态，运动过程中一直保持之前暂存的货物名称，以对货仓进行实时检测判断，直到找到了合适可抓取的货物，跳转至 Grab_Item。
Grab_Item 为抓取仓库货物状态，根据暂存的货物名称行进到指定货物的抓取位置，控制机械臂进行抓取，提升后跳转至 Back_Moving 返程。
Back_Moving为回程存货环游状态，机器人会携带着需要的货物返回之前的货架，此时需要进行路径规划选择一条最短路线，到达货架前后跳转至 TurnBack_To_LoadItem。
TurnBack_To_LoadItem 为转身面向货架状态，紧接着跳转至Item_Loading状态。
Item_Loading 为上货状态，根据货物需要放置的位置计算出机器人的目标位置，之后完成上货操作，跳转至 Init_Pose。
RunTo_NextShelf 为前往下一货架状态，根据存储的坐标进行路径规划，当到达下一货架定点时，跳转至 Recognize_Empty。
default为错误报警状态。
??利用上述九个状态构成的状态机，能够较地完成对机器人装卸货物的任务要求，各状态内部操作的封装也使得我们的控制器看起来更加简洁干练。
1. 基本动作
void lift(double position);
?给定高度，使机械臂上升直线电机运动到指定位置。
void moveFingers(double position);
?给定宽度，使机械臂手中左右两个直线电机运动到指定位置。
bool Moveto_CertainPoint(double fin_posture[], double reach_precision);
?给定位姿 fin_posture，包括 x、z 坐标与姿态角 angle；给定位控精度 reach_precision；内嵌函数 caculate_tmp_target()，给定目标位姿 double fin_posture[]，根据当前位姿与目标位置，进行位姿的线性插值，差值结果保存在 tmp_posture[] 中作为下一临时目标位姿。
?为了解决罗盘值在2π与0之间跳转时出现的机器人原地旋转一圈的冗余运动，因此在姿态角的线性差值前引入逻辑判断：if (fabs(fin_posture[2] – compass_angle) > PI) 以达到向旋转角度更小的方向作旋转运动。
2.空货架识别
3.寻找货物
4.对准并抓取
5.返回货架
??在本次超市机器人的软件开发课程设计中，首要任务是完成实现机器人软件工程的功能性，其次再考虑其他方面的要求。因此，在最开始的开发过程中，在明确我们的需求后，我们将任务重心放在底层基础功能的开发上，包括底盘及移动轮的设计、抓手的开合及升降运动设计以及物品识别等多个方面。在完成相当一部分的开发之后，转而进行机器人核心状态机的设计，并留出各部分的接口，这一任务的完成不仅一定程度上减轻了后期的开发难度，并且还加快了后期的开发速度。
??在完整的超市机器人软件开发的过程中，为了实现其功能性、可靠性、可维护性、可理解性、可测试性及可修改性等多个方面的要求，我们贯彻并采用了如下的措施：
模块化与抽象化技术
?在整个超市机器人补货的复杂任务的前提下，将其拆分为“查货架”、“寻货”、“取货”、“回库”及“上货”五个易解决的小任务，实现了任务的模块化；对于每个独立的任务，只考虑该任务本身所需要的入参出参，忽略其细节（比如如何实现、如何计算等），实现了任务的抽象化。
合适的程序设计语言及风格
?实验中选择了 C 语言进行开发。相较于 python，由于 C 语言特殊的变量声明及函数定义要求，使得它能够使得程序更加地干净整洁，更加利于软件的维护。同时，在程序编写过程中，采用合适的变量名的命名、注释的使用、规律的数据说明格式、清晰简洁的语句结构和输入/输出格式、有序的层次结构，规避了合作开发过程中的理解困难问题，使得整个项目的开发更加快速。
信息隐藏及局部化技术
?对于获取机器人位置、方向角以及商品名的获取等类似只读操作，将其封装成功能函数，只返回需要读取的内容，而不能对其源头进行改动，实现了一定程度上的信息隐藏；而对于主状态的跳转，将其约束在状态机函数中，只能在此处进行更改，而不允许在子函数中发生改变，体现了主状态的局部化。
意外情况的防范
?当发生主状态机跳转错误时，打印警告信息 “Error form State Machine！”，起到一定的警示作用。
复用技术
?在超市机器人的模型设计中，大量使用 USE 操作，实现各节点属性的复用；同时，将麦克纳姆轮的模型封装成 PROTO 节点，使其能够为机器人底盘搭建起到重复使用效果。利用这些复用技术一定程度上减少了超市机器人模型搭建的工作量。
项目管理
?为了实现项目良好的管理，我们采用了 Github 仓库进行版本控制，每次工作时进行拉取、合并、提交等必须的流程，同时附以简短的提交日志便于对方了解提交内容。除此之外，每完成一个功能之后，利用腾讯会议及 QQ 屏幕共享等软件进行汇报并讨论改进的方案，同时对接下来的工作进行适当的调整和分配，明确各自的任务，并督促对方及时完成。
??本项目为 贝_塔 与 sszxc 的合作项目，托管在 Github。
??项目资源：
Webots2020a -- Super_Transbot 超市机器人仿真建模
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原文地址：https://www.cnblogs.com/beta-1999/p/13186147.html
