Моделирование в MATLAB и ROS движения группы мобильных роботов в индустриально-городской среде
В данной публикации представлено краткое описание доклада Раскатова В. Д. и Рубцова В.И., а также запись презентации доклада.
В рамках указанной темы доклада, решена задача управления группой специальных роботов для применения в условиях повышенной опасности (например, для тушения пожаров, поиска опасных веществ или ликвидации последствий аварий).
Аннотация.
По условиям задачи роботы функционируют в условиях индустриально-городской среды, то есть движение роботов является плоским. Проанализированы различные стратегии группового взаимодействия между роботами, проведен обзор литературы. Исходя из специфики задачи выбрана децентрализованная стратегия управления. Для решения поставленной задачи предложен алгоритм движения группы мобильных роботов с последующей визуальной проверкой работы полученного алгоритма. Реализация алгоритма работы производится в среде MATLAB. Для предварительной проверки работы алгоритма и моделированию различных опасных ситуаций выполнена модель группы роботов с использованием пакета Mobile Robotics Simulation Toolbox программы MATLAB. Для более подробного и точного анализа поведения реальных роботов разработана модель в пакете ROS, которая взаимодействует с разработанным алгоритмом через пакет ROS Toolbox программы MATLAB. Данный программный комплекс можно использовать в рамках предварительной проверки функционирования группы мобильных роботов и в рамках обучения инженерного персонала в области математического моделирования, группового управления и мультиагентных систем. В результате проверки программа и модель успешно решают поставленную задачу, но модель в пакете ROS требует большой вычислительной мощности по причине большого числа сложных вычислений.
Введение.
В различных исследованиях установлено, что применение одиночных роботов может оказаться неэффективным при решении сложных задач, для таких задач требуется применять группу взаимодействующих роботов. При использовании роботов в группе радиус действия и число возможных выполняемых операций увеличивается, а также при выходе из строя одного робота, задача успешно выполняется [1]. Однако задача управления целой группой роботов является более сложной, чем управление одним роботом.
Цели и задачи.
Целью данной работы является: разработка и проверка визуальных математических моделей группы мобильных роботов при работе в индустиально-городской среде. Задачами являются: выбор стратегии группового управления, выбор и реализация алгоритмов, создание модели группы в Mobile Robotics Simulation Toolbox, создание модели в ROS.
Постановка задачи группового управления.
Пусть получена рабочая зона для мобильных роботов (например, с помощью БПЛА), известны начальные положения роботов, а также расположение целевых точек, которые должны быть посещены роботом. Требуется решить задачу группового управления с критерием оптимизации в виде кратчайшего расстояния до каждой целевой точки. Движение плоское, управление по двум координатам и углу. Роботы движутся без проскальзывания. Целевые точки и среда являются стационарными [1].
Выбор стратегии группового управления.
Предпочтительной стратегией группового управления для поставленной задачи является децентрализованное управления, как более простое для программирования системы управления и выход из строя работа в группе не является критичным [2].
Алгоритм программы для решения поставленной задачи.
Для выполнения поставленной задачи был составлен алгоритм, а после этого написана программа на языке MATLAB [1-3]. Схема алгоритма с примененными методами показана на рис.1.
Рис. 1. Алгоритм работы программы для решения поставленной задачи.
Реализация модели движения группы мобильных роботов в MATLAB.
Для проведения моделирования работы с задачами для решения мобильными роботами в MATLAB был разработан специальный пакет Mobile Robotics Simulation Toolbox [4]. Полученная модель в составе блоков пакета показана на рис. 2. Для упрощения решаемой задачи для увеличения скорости моделирования выбран дифференциальный робот. В модели представлены блоки кинематической модели робота, блок датчика расстояние (лидар), а также два блока визуализации – на графике Figure, а также для визуализации в окне Simscape Multibody.
Реализация модели движения группы мобильных роботов в ROS.
Производится разработка модели в ROS на ОС Linux при использовании пакета визуализации Gazebo. Для работы используется взаимодействие с ранее разработанной программой в MATLAB. Взаимодействие обеспечивается через пакет для MATLAB ROS Toolbox [5].
Первоначальная визуализация полученного робота на основе файла urdf выполняется в пакете rviz. Пакет rviz является лишь средством визуализации модели, но не средством симуляции и моделирования движения. Для этих целей требуется использование стандартного пакета gazebo.
В ROS формируются данные о положении в топика /state_robot и передаются в MATLAB, а с модели в Simulink данные о необходимых перемещениях передаются в топик /cmd_vel, которые воспринимает модель робота в gazebo. Схема в MATLAB показана на рис. 3.
Рис. 2. Рис. 3.
Рис. 2. Модель мобильного робота в пакете Mobile Robotics Simulation Toolbox
Рис. 3. Структура взаимодействия пакета ROS Toolbox с «мастером» ROS на ОС Linux.
Пример работы полученной модели.
Было проведено большое количество экспериментов для проверки работы программы по разработанному алгоритму.
На рис. 4. показан пример рабочей зоны, в которой будут функционировать 5 роботов. Перед ними поставлены 5 целей.
Рис. 4. Пример поставленной задачи группового управления. Роботы движутся из желтых точек - базовых точек роботов, в зеленые точки – целевые точки; заштрихованная область – непроходимая зона.
На рис. 5 показаны рабочие состояния моделей в MATLAB и ROS. Мобильные роботы совершают движение из начальных точек в конечные.
(a) (б)
Рис. 5. а – модель в пакете Mobile Robotics, б – модель в ROS.
В приведенном примере задача группового управления была успешно решена. Недостатком полученной модели, особенно для большого числа роботов, является достаточно малая скорость моделирования.
Заключение.
Полученная программа и модель полностью соответствует предъявленным требованиям решения поставленной задачи, но время моделирование из-за большой вычислительной нагрузки занимает большой промежуток времени.
Полученный программный комплекс можно использовать для визуального решения задачи группового управления в условиях индустриально-городской среды.
Литература.
[1] Каляев И.А., Гайдук А.Р., Капустян С.Г. Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов. -М.: Физматлит, 2009.
[2] Белоглазов Д.А., Гайдук А.Р. Групповое управление подвижными объектами в неопределенных средах / под ред. В.Х. Пшихопова. М.: Физматлит, 2015.
[3] В.П. Носков, В.И. Рубцов, И.В. Рубцов. Математические модели движения и системы технического зрения мобильных робототехнических комплексов: учебное пособие. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015.
[4] Описание пакета Mobile Robotics Simulation Toolbox. [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/66586-mobile-robotics-simulation-toolbox (Дата обращения: 23.03.2020)
[5] Описание пакета ROS Toolbox. [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/products/ros.html (Дата обращения: 23.03.2020)
Контакты авторов:
a) Раскатов Вадим Дмитриевич
б) Рубцов Василий Иванович
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
Комментарии
Selecting a group control strategy, deciding on and implementing algorithms, modeling a group in Mobile Robotics Simulation Toolbox, and modeling in ROS are all part of the process.
super mario bros