Научная статья на тему 'Планирование траектории автономного мини-корабля'

Планирование траектории автономного мини-корабля Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
261
61
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МИНИ-КОРАБЛЬ / УПРАВЛЕНИЕ / ПЛАНИРОВАНИЕ / ДИАГРАММА ВОРОНОГО / ROS / MINI-SHIP / MANAGEMENT / PLANNING / VORONOI DIAGRAM

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Федоренко Р. В., Гуренко Б. В.

В работе рассматривается процесс планирования траектории движения мини-корабля в среде с препятствиями. Приведена структура аппаратного обеспечения системы управления, архитектура программного обеспечения, построенного на базе клиент-серверной модели взаимодействия со слабой связанностью компонентов, в программной среде ROS.Глобальный планировщик разработан с использованием метода диаграмм Вороного. Локальный планировщик (регулятор) предложено реализовать с использованием неустойчивых режимов управления для обхода препятствий вблизи мини-корабля.Описаны результаты моделирования, показавшие работоспособность предложенных подходов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Федоренко Р. В., Гуренко Б. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Path planning for autonomous mini-ship

The paper deals with the trajectory planning of the mini-ship in an environment with obstacles. The structure of the control system hardware, software architecture built on basis of ROS software environment are presented. Global planner is designed using Voronoi diagrams method. Local planner (regulator) proposed to be implemented using the unstable regimes of control to bypass obstacles near the mini-ship. The results of simulation showed the efficiency of the proposed approaches.

Текст научной работы на тему «Планирование траектории автономного мини-корабля»

Планирование траектории автономного мини-корабля

Р.В. Федоренко, Б. В. Гуренко Южный федеральный университет, Таганрог

Аннотация: В работе рассматривается процесс планирования траектории движения мини-корабля в среде с препятствиями. Приведена структура аппаратного обеспечения системы управления, архитектура программного обеспечения, построенного на базе клиент-серверной модели взаимодействия со слабой связанностью компонентов, в программной среде ROS. Глобальный планировщик разработан с использованием метода диаграмм Вороного. Локальный планировщик (регулятор) предложено реализовать с использованием неустойчивых режимов управления для обхода препятствий вблизи мини-корабля.Описаны результаты моделирования, показавшие работоспособность предложенных подходов.

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

Введение

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).

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 пакетаvoronoi_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 Б на плоскости представляет собой такое разбиение плоскости, при котором каждая область этого разбиения образует множество точек, более близких к одной из точек множества Б, чем к любой другойточке 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 кодомdynamicvoronoi[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 А* и voronoi_planner, представлено на рис. 3, 4. Видно, что траектория, полученная планировщиком с использованием диаграмм Вороного, является наиболее удаленной от препятствий.

а) б)

Рис.З-Сравнение траекторий, полученных планировщиком А* (а) и

уогопо1_р1аппег (б)

ИЫПМГЙЬиЦ! ИпГ-

>—Г "V

/

/ -■—I'~1 А" рЫ|н1 РЛ N

1

\

1

^- --

Рис.4-Сравнение траекторий, полученных планировщиком А* и

уогопо1_р1аппег, пример 2

Недостатком планировщика voronoi_planner по сравнению с планировщиками на основе поиска на графах, такими как А*, 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

Размер карты Среднее время получения плана, c

1200 X 900 2,8

800 X 600 0,8

600 X 450 0,5

640x450 000 x600 1200 x 900

Размер карты

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.

а) б)

Рис. 5 -Моделирование задачи выхода мини-корабля из бухты Использование комплекса моделирования позволило подтвердить работоспособность предложенных решений и перейти к подготовке натурных испытаний.

Выводы

Предложенные в статье модификации программных компонентов описанной программной архитектуры (глобального планировщика и регулятора) в соответствии с результатами моделирования позволяют использовать предложенные решения для дальнейших натурных экспериментов с мини-кораблем.

Благодарности

Работа поддержана Министерством образования и науки РФ, НИР No114041540005 «Теория и методы позиционно-траекторного управления морскими роботизированными системами в экстремальных режимах и условиях неопределенности среды» по государственному заданию ВУЗам и научным организациям в сфере научной деятельности, а также внутренним грантом Южного федерального университета «Теория и методы энергосберегающего управления распределенными системами генерации, транспортировки и потребления электроэнергии».

Литература

1. Boris Gurenko, Roman Fedorenko, Anatoly Nazarkin Autonomous surface vehicle control system // Applied Mechanics and Materials Journal.- 2014 (ISSN: 1660-9336). - Vol. 704. -p. 277.

2. Гуренко Б.В., Федоренко Р.В., Назаркин А.С. Система управления автономного надводного мини-корабля // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №5,URL:science-education.ru/119-14511 (дата обращения: 12.10.2015).

3. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Федоренко Р.В., Гуренко Б.В., Чуфистов В.М., Шевченко В.А. Алгоритмы многосвязного позиционно-траекторного управления подвижными объектами// Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2579.

4. Пшихопов В.Х., Гуренко Б.В. Синтез и исследование авторулевого надводного мини-корабля «Нептун» // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1919.

5. Гуренко Б.В., Федоренко Р.В., Береснев М.А., Сапрыкин Р.В., Переверзев В.А. Разработка симулятора автономного необитаемого подводного аппарата // Инженерный вестник Дона, 2014, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2504/.

6. Navigation - ROS Wiki // Robot Operating System URL: wiki.ros.org/navigation (accessed: 20.09.2015).

7. Пшихопов В.Х. Управление подвижными объектами в недетерменированных средах использованием неустойчивых режимов // Материалы конференции "Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах". - Под редакцией С.Н. Васильева, И. А. Каляева, Д.А. Новикова, Г.Г. Себрякова. - 2012. - С. 786-789.

8. Voronoi_planner - ROS Wiki // Robot Operating System URL: wiki.ros.org/voronoi_planner (accessed: 20.09.2015).

9. B. Lau, C. Sprunk and W. Burgard, Improved Updating of Euclidean Distance Maps and Voronoi Diagrams // IEEE Intl. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). - Taipei, Taiwan. - 2010. - pp. 281 - 286.

10. Dynamicvoronoi - ROS Wiki // Robot Operating System URL: wiki.ros.org/dynamicvoronoi (accessed: 20.09.2015).

References

1. Boris Gurenko, Roman Fedorenko, Anatoly Nazarkin Autonomous surface vehicle control system Applied Mechanics and Materials Journal (ISSN: 16609336). 2014. Vol. 704.p. 277.

2. Gurenko B.V., Fedorenko R.V., Nazarkin A.S. Sovremennye problemy nauki i obrazovania. 2014. №5,URL: science-education.ru/119-14511.

3. Pshikhopov V.Kh., Medvedev M.Yu., Fedorenko R.V., Gurenko B.V., Chufistov V.M., Shevchenko V.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2579.

4. Pshikhopov V.Kh., Gurenko B.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1919.

5. Gurenko B.V., Fedorenko R.V., Beresnev M.A., Saprykin R.V., Pereverzev V.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2504/.

6. Navigation - ROS Wiki Robot Operating System URL: wiki.ros.org/navigation (accessed: 20.09.2015).

7. Pshikhopov V.Kh. Materialy konferentsii "Upravlenie v tekhnicheskikh, ergaticheskikh, organizatsionnykh i setevykh sistemakh". Pod redaktsiey S.N. Vasil'eva, I.A. Kalyaeva, D.A. Novikova, G.G. Sebryakova. 2012.pp. 786-789.

8. Voronoi_planner - ROS Wiki Robot Operating System URL: wiki.ros.org/voronoi_planner (accessed: 20.09.2015).

9. B. Lau, C. Sprunk and W. Burgard, Improved Updating of Euclidean Distance Maps and Voronoi Diagrams IEEE Intl. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). Taipei, Taiwan. 2010. pp. 281 - 286.

10. Dynamicvoronoi - ROS Wiki Robot Operating System URL: wiki.ros.org/dynamicvoronoi (accessed: 20.09.2015).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.