ROS应用之MoveIt 在多机器人路径规划中的应用

ROS应用之MoveIt 在多机器人路径规划中的应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_68094467/article/details/144983638

随着机器人技术的飞速发展，多机器人系统在仓储物流、自动驾驶、智能制造等领域得到了广泛应用。多机器人路径规划是其中的核心问题之一，它要求在共享环境中高效、无碰撞地为多个机器人生成路径。本文将以多机器人路径规划为核心，深入解析MoveIt提供的技术实现，并辅以代码示例和运行效果说明，全面展示其应用潜力。

原理介绍

1. 基本概念

多机器人路径规划旨在为多个机器人在共享的环境中生成无碰撞路径，使其能够高效协作而不会相互干扰。其核心包括以下几个方面：

• 环境感知（Environmental Perception）：通过传感器或虚拟仿真数据获取环境信息。
• 运动规划（Motion Planning）：根据机器人的当前状态和目标状态，计算可行的运动路径。
• 碰撞检测（Collision Detection）：确保机器人间及机器人与障碍物间的路径无碰撞。
• 路径优化（Trajectory Optimization）：生成最优路径，降低能耗或时间开销。

在多机器人系统中，路径规划面临额外的挑战：

• 全局一致性：机器人间路径需协调，避免资源冲突和路径交叉。
• 实时性要求：在动态环境中需快速规划路径。
• 复杂性提升：随着机器人数量增加，规划复杂度呈指数级增长。

2. MoveIt 的核心模块

MoveIt 的多机器人路径规划依赖以下核心模块：

1. 运动规划器（Motion Planner）

MoveIt! 集成了多个强大的运动规划算法库，例如：

• OMPL（Open Motion Planning Library）：基于采样的规划算法，如 RRT、PRM。
• STOMP（Stochastic Trajectory Optimization for Motion Planning）：基于梯度下降的路径优化算法。
• CHOMP（Covariant Hamiltonian Optimization for Motion Planning）：注重路径平滑性。

2. 规划场景（Planning Scene）

MoveIt 使用PlanningSceneInterface管理环境中的障碍物和机器人模型。通过设置障碍物和目标点，可以实现复杂场景的路径规划。

3. 碰撞检测（Collision Detection）

MoveIt 利用FCL（Flexible Collision Library）检测路径中的碰撞。 碰撞检测公式如下：

其中，是机器人 R_i 到障碍物 O 的最小距离。

4. 多机器人协调机制

多机器人路径规划中，MoveIt 提供独立的规划组（Planning Group）为每个机器人规划路径，并通过全局检测器协调机器人间的路径冲突。

3. 整体规划流程

多机器人路径规划的流程可以分为以下几个步骤：

1. 环境初始化

加载 URDF 或 SRDF 文件，初始化机器人模型和环境障碍物。

2. 规划场景设置

创建单独的PlanningScene，并分别为每个机器人分配独立的规划组。

3. 路径生成

使用规划器为每个机器人生成路径，保证无碰撞。

4. 路径协调

验证各机器人路径的全局无碰撞性，若存在冲突则重新规划。

5. 路径执行

将无碰撞路径发送到控制器，协调机器人运动。

4. 算法流程

以下是基于 MoveIt 的多机器人路径规划算法流程：

1. 状态初始化

定义多机器人状态空间：

其中，qi 是机器人 i 的状态。

2. 路径规划

采用分布式规划器（如 RRT*）为每个机器人生成独立路径：

3. 全局路径验证

检测各路径间的冲突：

4. 优化路径

若路径冲突或不满足约束，则重新调整代价函数：

部署环境介绍

系统配置

• 操作系统：Ubuntu 20.04 LTS
• ROS 版本：ROS Noetic
• MoveIt 版本：1.1.1
• 硬件需求：
• 多机器人仿真模型（如 TurtleBot3 或自定义 URDF）。
• 可选 GPU：加速路径规划算法的执行。

软件依赖

• OMPL：路径规划算法库。
• RViz：用于路径规划结果的可视化。
• FCL：碰撞检测库。

部署流程

1. 安装 MoveIt

安装必要的依赖工具和 MoveIt 软件包：

sudo apt-get update
sudo apt-get install ros-noetic-moveit

2. 配置多机器人 URDF 模型

创建多机器人 URDF 文件，例如 multi_robot.urdf，并包含以下内容：

<robot name="multi_robot">
 <include filename="robot1.urdf"/>
 <include filename="robot2.urdf"/>
</robot>

3. 启动规划环境

使用以下 ROS Launch 文件加载 MoveIt 环境：

<launch>
 <arg name="robot_description" default="$(find your_package)/urdf/multi_robot.urdf"/>
 <include file="$(find moveit_ros_move_group)/launch/move_group.launch.xml"/>
</launch>

4. 启动 RViz

启动 RViz 可视化工具：

点击三木地带你手搓ROS应用之MoveIt 在多机器人路径规划中的应用查看全文。