清洁机器人规划控制方案
清洁机器人规划控制方案
| 作者 | 联系方式 |
|---|---|
| Forrest | 709335543@qq.com |
文章目录
- 清洁机器人规划控制方案
- 方案简介
- 方案设计
- 模块链路
- 坐标变换
- 算法框架
- 功能设计
- 定点自主导航
- 固定路线清洁
- 区域覆盖清洁
- 贴边沿墙清洁
- 自主返航回充
- 仿真测试
- 仿真测试准备
- 定点自主导航测试
- 固定路线清洁测试
- 区域覆盖清洁测试
- 贴边沿墙清洁测试
方案简介
室内商用扫地/洗地机器人规划控制（PNC）方案。有以下功能包组成：
- clean_msg：功能消息定义
- clean_pnc：规划控制算法
- clean_rviz：rviz仿真测试插件
目前PNC方案支持以下功能：
- 定点自主导航
- 固定路线清洁
- 区域覆盖清洁
- 贴边沿墙清洁
- 自主返航回充
PNC方案在满足清洁机器人常见场景需求，除此之外，还支持以下特性：
- 断点续接清洁
- 清洁区域补漏
- 虚拟墙设置
- 禁止清洁区域设置
- 动/静态覆盖清洁设置
- 左/右沿墙清扫设置
- 动态调节速度（根据距离障碍物远近调节）
- 清洁数据统计（清洁轨迹、清洁率、面积、耗时等）
- 不同底盘形状碰撞支持
- 扫地/洗地清洁设备控制支持
- …
方案设计
模块链路
PNC模块相关输出/输出关系如上图所示：
- 输入
- 传感器数据、如lidar、camera等
- 定位位姿
- 地图数据
- TF变化
- 输出
- 机器人控制指令
- 清洁设备控制指令
- 清洁任务数据，如状态、报告等
坐标变换
整体方案运行，需要相关TF支持，相关TF关系定义如下：
注意：这里引入
odom_linkframe主要是有些底盘运动电机没有安装在底盘中心
算法框架
- task_manager：清洁任务执行管理器。接收上层发过来的任务队列，挨个进行执行。
- task：导航任务定义描述，现支持以下五个导航任务：
- pose_navigator：定点自主导航任务。可实现A到B点功能。
- path_follower：固定路线清洁任务。可用于预定义路线清洁。
- area_cleaner：区域覆盖清洁任务。可用于固定区域覆盖式清洁。
- wall_follower：贴边沿墙清洁任务。可用于沿墙贴边清洁。
- auto_charger：自主返航回充任务。机器人低电量时自主返航回充。
- tasker：导航任务实现抽象。上述每个导航任务都是一个tasker，一般每个tasker由以下三部分组成：
- planner：规划器。一个tasker可根据要实现的功能搭配多个planner，比如实现pose_navigator要搭配astar_path_planner和dwa_path_planner。现支持的planner有：
- astar_path_planner：A*全局路径规划算法。用于A到B点路径生成
- dwa_path_planner：DWA局部路径规划算法。用于路径跟踪。
- clean_path_planner：覆盖路径规划算法。用于区域覆盖清洁路线生成。
- contours_path_planner：沿墙路径规划算法。用于沿墙贴边清洁路径生成。
- decider：决策器。一个tasker可根据要实现的功能搭配多个decider，比如实现pose_navigator要搭配global_plan_decider和local_plan_decider。现支持的decider有：
- global_plan_decider：全局规划决策器。用于判断是否需要进行全局路径重规划。
- local_plan_decider：局部规划决策器。用于局部路径规划失败处理。
- path_follow_decider：路径跟踪决策器。用于路径跟踪停障等待和绕障处理。
- navi_logic：导航逻辑。一个tasker可根据要实现的功能配合planner和decider进行调用逻辑组合，从而实现对应功能。
- planner：规划器。一个tasker可根据要实现的功能搭配多个planner，比如实现pose_navigator要搭配astar_path_planner和dwa_path_planner。现支持的planner有：
- task：导航任务定义描述，现支持以下五个导航任务：
- cost_map：代价地图。用于障碍物碰撞检测。
- footprint_model：机器人碰撞模型描述。可根据机器人形状进行定义。
- global_cost_map：全局代价地图。可用于全局规划路径和清洁规划路径生成。
- local_cost_map：局部代价地图。可用于局部规划路径生成。
- fuction_map：功能地图。用于相关清洁功能实现，比如禁止清洁区域。
- forbidden_clean_area：禁止清洁区域。限定清洁环境中，某些区域只允许经过，不可以清洁。
- task_cleaned_area：已清洁区域。用于清洁任务中，已经清洁区域统计，生成相关清洁报告。
- clean_system：清洁设备控制器。用于扫地/洗地清洁设备开关控制。
功能设计
定点自主导航
定点自主导航任务，可实现A到B点功能。功能设计如下图所示：
- 由astar_path_planner生成机器人当前位置到导航目标点全局路径。
- 得到全局路径后，dwa_path_planner则进行跟踪控制。
- 在导航过程中，global_plan_decider会判断全局路径可达性，如果当前全局路径不可达，则重新进行全局路径规划。
- 在导航过程中，local_plan_decider会根据dwa_path_planner规划状态，进行局部路径规划失败处理。
固定路线清洁
固定路线清洁任务，可用于预定义路线清洁。功能设计如下图所示：
- 首先机器人会根据pose_navigator一样的逻辑导航到离清洁路线最近点，然后开始清洁路线跟踪。
- 清洁路线跟踪使用dwa_path_planner。
- 在开始清洁路线跟踪后，path_follow_decider判断跟踪路线是否需要停障。
- 如果遇到障碍物则进行停障等待。
- 停障等待超时后，进行绕障继续跟踪清洁路线。
- 在清洁路线跟踪过程中，local_plan_decider会根据dwa_path_planner规划状态，进行局部路径规划失败处理。
区域覆盖清洁
区域覆盖清洁任务，可用于固定区域覆盖式清洁。功能设计如下图所示：
- 首先机器人会根据pose_navigator一样的逻辑导航到离清洁区域内最近点。
- 到达清洁区域内后，使用clean_path_planner进行清洁路线覆盖规划，并进行跟踪。
- 清洁路线跟踪使用dwa_path_planner。
- 在开始清洁路线跟踪后，path_follow_decider判断跟踪路线是否需要停障
- 如果遇到障碍物则进行停障等待
- 停障等待超时后，进行绕障继续跟踪清洁路线
- 在清洁路线跟踪过程中，local_plan_decider会根据dwa_path_planner规划状态，进行局部路径规划失败处理。
贴边沿墙清洁
贴边沿墙清洁任务，可用于沿墙贴边清洁。功能设计如下图所示：
- 首先机器人会根据pose_navigator一样的逻辑导航到离沿墙清洁路径上最近点。
- 到达最近后，使用contours_path_planner进行沿墙清洁路径规划，并进行跟踪。
- 沿墙清洁路线跟踪使用dwa_path_planner。
- 在清洁路线跟踪过程中，local_plan_decider会根据dwa_path_planner规划状态，进行局部路径规划失败处理。
自主返航回充
自主返航回充任务，机器人低电量时自主返航回充。功能设计如下图所示：
- 首先机器人会根据pose_navigator一样的逻辑导航到充电桩前方位置。
- 然后进行充电桩对接控制。
仿真测试
功能仿真测试视频:
清洁机器人PNC方案演示
仿真测试准备
安装部署好工程
仿真地图确认：仿真地图放在
cleanbot/clean_pnc/data/map目录下，目前该目录下有测试地图demo，如果想更换地图可按如下步骤：将要更换的地图放到
cleanbot/clean_pnc/data/map目录下更改仿真器中
cleanbot/clean_pnc/launch/pnc_simulator.launch的test_map_name参数：<launch><node name="clean_pnc_simulator" pkg="clean_pnc" type="clean_pnc_simulator" output="screen"><param name="map_file_dir" value="$(find clean_pnc)/data/map/"/><param name="test_map_name" value="demo"/></node> </launch>
启动仿真程序：启动成功后，可看到如下rviz界面：
roslaunch clean_pnc simulation_wash_robot.launch
初始化机器人位姿：在
rviz软件显示窗口上，点击2D Pose Estimate按钮在地图上相应位置进行机器人位姿初始化任务暂停/取消：在
rviz软件显示窗口左下角，可进行任务暂停/取消操作
定点自主导航测试
- 下发导航目标点：在
rviz软件显示窗口上，点击2D Nav Goal按钮在地图上相应位置进行导航目标点下发
下发成功后可在rviz看到如下界面：
如果想在测试过程中增加障碍物，可在
rviz软件显示窗口上，点击Publish Point按钮在地图上相应位置进行障碍物设置：
固定路线清洁测试
设定清洁路线：在
rviz软件显示窗口上，点击custom_path按钮在地图上相应位置进行清洁路线标注- 按下键盘上的
Enter按键下发任务 - 按下键盘上的
d按键重新绘制路线
- 按下键盘上的
下发成功后可在rviz看到如下界面：
如果想在测试过程中增加障碍物，可在
rviz软件显示窗口上，点击Publish Point按钮在地图上相应位置进行障碍物设置：
注意：任务完成后，机器人会主动导航返回任务起始点
区域覆盖清洁测试
设定清洁区域：在
rviz软件显示窗口上，点击clean_polygon按钮在地图上相应位置进行清洁区域标注- 按下键盘上的
Enter按键下发任务 - 按下键盘上的
d按键重新绘制区域
- 按下键盘上的
下发成功后可在rviz看到如下界面：
如果想在测试过程中增加障碍物，可在
rviz软件显示窗口上，点击Publish Point按钮在地图上相应位置进行障碍物设置：
注意：任务完成后，机器人会主动导航返回任务起始点
贴边沿墙清洁测试
设定清洁区域：在
rviz软件显示窗口上，点击along_wall按钮在地图上相应墙体位置进行沿墙启点下发下发成功后可在rviz看到如下界面：
如果想在测试过程中增加障碍物，可在
rviz软件显示窗口上，点击Publish Point按钮在地图上相应位置进行障碍物设置：
注意：任务完成后，机器人会主动导航返回任务起始点
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