Планирование траектории автономного мини-корабля

Описаны результаты моделирования, показавшие работоспособность предложенных подходов.

Ключевые слова: мини-корабль, управление, планирование, диаграмма Вороного, ROS

Автономные мини-корабли могут быть полезны для выполнения широкого круга задач, включая мониторинг окружающей среды, работу на загрязненных участках, поисковые и спасательные операции.

Схема использования автономного мини-корабли заключается в следующем. Сначала оператор пункта управления визуально на карте строит миссию. Система управления осуществляет картографирование, обнаружение препятствий и планирование траектории для движения между контрольными точками миссии в обход препятствий.

Предложенная авторами в работе [1 - 5] система автоматического управления позволяет организовать автоматическое движение катера вдоль заданной траектории. В данной статье, являющейся продолжением работы авторов, рассматривается процесс планирования траектории движения катера в среде с препятствиями.

В работе приведена структура аппаратного обеспечения системы управления, архитектура программного обеспечения, построенного на базе клиент-серверной модели взаимодействия со слабой связанностью компонентов, описаны результаты моделирования, показавшие работоспособность предложенных подходов.

Для разработки программного обеспечения авторы используют среду ROS представляющую стандарт де-факто в разработке ПО для робототехники. Данная среда имеет в своем составе стек планирования движения, который лег в основу описанной ниже программной архитектуры системы управления мини-корабля[6]. Однако, для адаптации к объекту управления - мини-кораблю авторами в рамках данной архитектуры разработаны новые программные пакеты в части планирования движения.

Планирование движения является одной из фундаментальных проблем в робототехнике. Существует ряд принципиально разных подходов, применимых в различных задачах, таких как метод семплирования, вероятностный метод, методы поиска на графах, метод обобщенных диаграмм Вороного. Наиболее часто используемыми являются методы поиска на графах, такие как A*. Такой метод реализован и в стандартном глобальном планировщике стека планирования программной среды ROS, который будет рассмотрен подробнее ниже. Данный планировщик строит кратчайший путь в целевую точку в обход препятствий. Однако, в ряде задач, в том числе и при планировании движения мини-корабля длина пути при движении в среде с препятствиями может не являться главным критерием при выборе метода планирования. Важной задачей является построение траектории движения максимально удаленной от препятствий для уменьшения вероятности столкновения с ними. Поэтому в данной работе была выполнена разработка программного пакета планирования глобальной траектории на базе обобщенных диаграмм Вороного для среды ROS, реализация которого в данной среде ранее не существовало.

Аппаратная реализация системы автоматического управления автономного катера. Структура аппаратного обеспечения системы управления автономного мини-корабля показана на рис.1. При разработке использована парадигма разделения вычислительной части на высокоуровневую (компьютер) и низкоуровневую (микроконтроллерный блок).

архитектура программный серверный аппаратный

Рис.1. Аппаратная реализация системы управления мини-корабля

Микроконтроллерный блок получает данные от компьютера или пульта дистанционного управления и генерирует ШИМ-сигнал для управления двигателями и сервоприводами. Компьютер вычисляет требуемые управляющие воздействий в соответствии с алгоритмом управления, выполняет программное обеспечение навигационной системы, и обменивается данными с наземным пунктом управления.

Архитектура программного обеспечения. В качестве операционной системы бортового компьютера используется Ubuntu Linux. Программное обеспечение построено на базе Robot Operating System, что позволяет реализовать слабую связанность компонентов и клиент-серверный шаблон их взаимодействия.

В качестве основы программной архитектуры системы планирования был использован стек ROSNavigation[3], который был сконфигурирован для мини-корабля и существенно переработан в части дополнения модулем планировщика глобальной траектории и локальным планировщиком (регулятором).

Структура программного обеспечения системы управления показана на рис.2.

Рис.2. Структура программного обеспечения

В стеке используются две карты препятствий, которые строятся на основе данных лазерного сканера и навигационной системы, модулем costmap_2dи отличаются назначением и, соответственно, размером и разрешением. Глобальная карта имеет большой размер и предназначена для планирования глобальной траектории движения, локальная карта препятствий имеет меньший размер, большее разрешение и предназначена для обхода близко расположенных препятствий. Глобальная карта используется глобальным планировщиком, локальная - локальным (или регулятором). Глобальный планировщик выполняет поиск плана движения на глобальной карте и передает этот план (в виде последовательности точек) локальному планировщику (регулятору), который рассчитывает управляющие воздействия на исполнительные механизмы для выполнения выработанного плана и одновременно выполняет обход близко расположенных препятствий, даже если это не было предусмотрено глобальным планом (подвижные или неизвестные препятствий).

Описание глобального планировщика приведено ниже. В качестве теоретической базы для реализации регулятора с функцией локального планировщика на базе неустойчивых режимов управления была использованы работа [7].

Планирование глобальной траектории. При планировании движения мини-корабля длина пути при движении в среде с препятствиями может не являться главным критерием при выборе метода планирования. Важной задачей является построение траектории движения максимально удаленной от препятствий для уменьшения вероятности столкновения с ними. Поэтому в данной работе была выполнена разработка программного пакета voronoi_planner [8] планирования глобальной траектории на базе обобщенных диаграмм Вороного для среды ROS, реализация которого в данной среде ранее не существовало.

Диаграмма Вороного множества точек S на плоскости представляет собой такое разбиение плоскости, при котором каждая область этого разбиения образует множество точек, более близких к одной из точек множества S, чем к любой другой точке этого множества. Таким образом, границы областей этого разбиения являются равноудаленными от ближайших двух точек. Обобщенные диаграммы Вороного строятся вокруг множества фигур на плоскости (вместо множества точек) и их границы представляют собой геометрическое место точек удаленных от этих фигур, что можно использовать для построения траектории, наиболее удаленной от препятствий. Существует ряд алгоритмов построения обобщённых диаграмм Вороного и их программных реализаций. В данной работе использована библиотека с открытым исходным кодом dynamicvoronoi[9, 10].

Пакет voronoi_planner реализован как плагин навигационного стека, реализующий интерфейс nav_core::BaseGlobalPlanner. Пакет читает глобальную карту препятствий, преобразует ее и передает в функцию построения обобщенной диаграммы Вороного библиотеки dynamicvoronoi. Далее выполняется поиск пути, включающий 3 этапа: поиск пути от текущей координаты мини-корабля до графа Вороного, поиск пути от целевой точки до графа Вороного и поиск пути на графе Вороного между двумя его точками, расположенными вблизи начального и целевого положения.

Сравнение траекторий, полученных планировщиком A* и voronoi_planner, представлено на рис. 3, 4. Видно, что траектория, полученная планировщиком с использованием диаграмм Вороного, является наиболее удаленной от препятствий.

Рис.3. Сравнение траекторий, полученных планировщиком A* (а) и voronoi_planner (б)

Рис.4. Сравнение траекторий, полученных планировщиком A* и voronoi_planner, пример 2

Недостатком планировщика voronoi_planner по сравнению с планировщиками на основе поиска на графах, такими как A*, является, безусловно, быстродействие. Однако, из данных оценки быстродействия планировщика voronoi_planner, представленных в таблице №1 и на рис. 5 видно, что при правильном выборе размера и разрешения карты такой планировщик вполне может использоваться для задачи глобального планирования в реальном времени. Измерение проводилось посредством команд получения отметки времени задания целевой точки и начала поиска rostopicecho /move_base/goal/header/stamp и отметки времени получения плана rostopicecho /move_base/VoronoiPlanner/plan/header/stamp.

Таблица 1. Время получения плана планировщикомvoronoi_plannerдля карт различного размера

Рис. 4. Время получения плана планировщикомvoronoi_plannerдля карт различного размера

Результаты моделирования. Для подтверждения работоспособности предложенных решений в целом был разработан комплекс моделирования движения мини-корабля. Комплекс позволяет моделировать движение мини-корабля в среде с препятствиями, подавать уставки управления исполнительными механизмами, получать навигационную информацию и данные имитируемого лазерного сканера.

На рис. 5а представлена трехмерное сцена для моделирования задачи выхода мини-корабля из бухты, на рис. 5б - соответствующая карта, полученная посредством имитируемого лазерного сканера, и спланированная траектория движения мини-корабля.

Рис. 5. Моделирование задачи выхода мини-корабля из бухты

Использование комплекса моделирования позволило подтвердить работоспособность предложенных решений и перейти к подготовке натурных испытаний.

Выводы