PiCarHome —— 基于 Raspberry Pi 5 与 ROS2 的家庭机器人平台

项目实物照片

一、项目背景

从智能小车到家庭机器人，关键差异不只是“能不能动”，而是能否在真实室内环境中稳定感知、定位、规划、避障，并与人自然交互。PiCarHome 项目正是在前期两个小车方向的基础上继续演进。

二、项目目标

1. 稳定可控的移动底盘：基于 ESP32-S3 + 驱动板实现双轮差速、编码器读取、PID 调速与串口控制。
2. 可靠的室内定位与建图：融合 N10 激光雷达、IMU 和轮速里程计，完成 2D SLAM 建图与位姿估计。
3. 可用的自主导航：集成 Nav2，实现点击目标点、路径规划、避障与速度平滑控制。
4. 友好的远程操作界面：通过 Web 页面查看地图、雷达、小车状态，并支持方向键遥控与点击导航。
5. 多车可复制部署：通过主机名与 ROS_DOMAIN_ID 区分多台 PiCarHome，支持教学分组、设备克隆和现场交付。
6. 面向家庭机器人的扩展能力：预留摄像头、实时语音、VLM 视觉理解、老人看护、儿童陪伴等上层智能应用接口。

三、系统架构

PiCarHome 采用“树莓派上层智能 + ESP32 底层实时控制”的分层架构。Raspberry Pi 5 运行 Ubuntu 24.04 与 ROS2 Jazzy，负责传感器接入、SLAM、导航、Web 服务和智能应用；ESP32-S3 负责电机控制、编码器读取与底层安全逻辑。

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│                    用户交互层                                │
│  Web 控制台 / 实时语音 App / 后续移动端或家庭大屏              │
│  ├── 地图与雷达可视化                                        │
│  ├── 方向键遥控与急停                                        │
│  └── 点击目标点导航 / 语音指令扩展                            │
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│                 ROS2 机器人中间层                            │
│  ├── slam_toolbox：2D 建图                                   │
│  ├── robot_localization EKF：编码器 + IMU 融合                │
│  ├── Nav2：全局规划、局部控制、行为树、速度平滑                │
│  ├── twist_mux：遥控 / 导航速度指令多路复用                   │
│  └── aiohttp + WebSocket：浏览器控制台                        │
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│                  硬件感知与运动层                             │
│  ├── N10 激光雷达：/scan，360° 环境扫描                       │
│  ├── IM10A / BNO085 IMU：姿态、角速度、航向                   │
│  ├── ESP32-S3 串口桥：/odom ↔ /cmd_vel                       │
│  ├── 双路直流电机 + 霍尔编码器：差速运动与里程计                │
│  └── UPS HAT：电压、电流与电池状态监测                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

硬件平台

软件栈

四、关键技术方案

Nav2 自主导航与狭窄通道调参

项目已完成 Nav2 全栈集成，包括 global planner、local costmap、DWB controller、behavior server、velocity smoother 和 twist_mux。Web 前端可以在地图上点击目标点，由 Nav2 自动规划路径并控制小车移动。

• 调整 local costmap 膨胀半径，让小车与障碍物保持更大距离；
• 调整 DWB 障碍物评分、角速度和角加速度，减少转弯扫尾碰撞；
• 弱化 PathAlign / GoalAlign，抑制拐弯时“多转”；
• 通过 velocity smoother 让运动更平滑，降低突然加减速。

Web 可视化控制台

PiCarHome 内置 Web 控制台，学生或用户只需浏览器访问 http://<Pi的IP>:8095 即可操作小车。界面包含 SLAM 地图、雷达扫描、方向键遥控、速度调节、建图控制、导航按钮和 WebSocket 状态流。

多车部署与教学交付

每台车通过主机名自动分配 ROS_DOMAIN_ID，同一局域网下互不干扰；硬件串口路径放入独立的 hardware.yaml，代码主线统一维护，再按需同步到具体设备。

家庭机器人上层智能扩展

• 实时语音对话：接入 PiCarVoice，实现可打断、低延迟、带人设和用户背景的自然语音交互；
• 视觉看护：接入 RGB / 红外 / 深度相机，支持远程查看、人体检测、跌倒检测和场景理解；
• VLM 视觉语言模型：让机器人理解“前面有什么”“桌子旁边有没有人”等开放式视觉问题；
• 家庭任务 Agent：结合导航、日程、健康档案和家庭规则，实现提醒、巡逻、陪伴和求助。

五、工程亮点

• 从硬件到算法的完整闭环：覆盖底盘驱动、串口协议、ROS2 节点、传感器融合、SLAM、导航、Web 前端和语音交互扩展。
• 真实家庭场景调优：围绕桌腿、柜壁、狭窄通道、转弯扫尾等实际问题进行 Nav2 参数验证。
• 可复制的多车体系：支持 Home01、Home02、Home03、Home04 等多台设备的配置、克隆、同步和交付。
• 教学友好：学生可从 Web 页面直接观察地图、雷达、路径与控制效果，再逐步深入 ROS2 与底层固件。
• 可研究扩展：可作为 VLM、RL Agent、家庭看护、语音交互、具身智能课程项目的实物载体。
• 工程问题沉淀完整：WiFi、USB、串口、IMU 替换、TF 链、SLAM 丢帧、CPU 占用等问题均有排查记录，可复用为实践教学案例。

六、与前期小车项目的关系

PiCarHome 可以看作前期小车技术路线的系统化升级。

七、应用场景

八、当前状态与后续路线

当前状态

• 已形成 4-PiCarHome04/PiCar_home/ 主线代码与文档基线；
• 已完成 Pi5 + ROS2 Jazzy 运行环境；
• 已集成 N10 雷达、IM10A IMU、ESP32 串口桥、EKF、SLAM、Nav2 与 Web 控制台；
• 已支持一键启动完整系统；
• 已完成狭窄通道、避障距离、转弯幅度等关键导航参数验证；
• 已沉淀多车部署、WiFi 迁移、系统克隆和现场故障排查文档。

后续路线

1. 导航稳定性增强：继续优化窄通道、桌腿、柜角、抱起后重定位等真实家庭场景；
2. 视觉能力接入：从 RGB / 红外 Web 推流升级到深度相机与人体姿态识别；
3. 语音与导航联动：实现“去客厅”“回充电点”“到桌子旁边”等自然语言导航；
4. 家庭看护功能：加入巡逻任务、跌倒检测、用药提醒、紧急呼叫和家庭成员识别；
5. 课程化封装：整理成从 ESP32 入门、ROS2 建图、Nav2 导航到 AI 机器人应用的分阶段实验教程。