[論文レビュー] Real-Time Kinodynamic Motion Planning for Omnidirectional Mobile Robot Soccer using Rapidly-Exploring Random Tree in Dynamic Environment with Moving Obstacles

Fahri Ali Rahman, Igi Ardiyanto+1 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ロボカップ中型リーグに特有の動的で敵対的な環境を想定した、全方向移動可能ロボットのリアルタイム運動計画を実現するシステムを提案する。本システムは、並進運動に二重積分器ダイナミクスを用いたキネドナミック-RRT*と、回転運動に最小時間軌道生成器を組み合わせ、オンライン再計画とPI制御による軌道追従を可能にすることで、ROSベースのシミュレーションにおいても、動的な障害物が存在する中で衝突のない動的に実行可能な軌道を達成している。

ABSTRACT

RoboCup Middle Size League (RoboCup MSL) provides a standardized testbed for research on mobile robot navigation, multi-robot cooperation, communication and integration via robot soccer competition in which the environment is highly dynamic and adversarial. One of important research topic in such area is kinodynamic motion planning that plan the trajectory of the robot while avoiding obstacles and obeying its dynamics. Kinodynamic motion planning for omnidirectional robot based on kinodynamic-RRT* method is presented in this work. Trajectory tracking control to execute the planned trajectory is also considered in this work. Robot motion planning in translational and rotational direction are decoupled. Then we implemented kinodynamic-RRT* with double integrator model to plan the translational trajectory. The rotational trajectory is generated using minimum-time trajectory generator satisfying velocity and acceleration constraints. The planned trajectory is then tracked using PI-Control. To address changing environment, we developed concurrent sofware module for motion planning and trajectory tracking. The resulting system were applied and tested using RoboCup simulation system based on Robot Operating System (ROS). The simulation results that the motion planning system are able to generate collision-free trajectory and the trajectory tracking system are able to follow the generated trajectory. It is also shown that in highly dynamic environment the online scheme are able to re-plan the trajectory.

研究の動機と目的

• ロボカップ中型リーグに特徴的な、極めて動的で敵対的な環境における、全方向移動可能ロボットのリアルタイム運動計画の課題を解決すること。
• ロボットのダイナミクスと障害物の予測を運動計画に統合し、安全性と実行可能性を向上させること。
• 時間的に変化する条件下でも、低頻度の計画周期であっても、オンライン再計画と軌道追従を可能にすること。
• 並進運動と回転運動の計画を分離することで、計算効率と制約の満たし方を向上させること。
• ROSとGazeboを用いたリアルなシミュレーション環境で、システムを検証すること。

提案手法

• 並進運動と回転運動の計画を分離し、並進運動の軌道計画に二重積分器ダイナミクスを用いたキネドナミック-RRT*を適用する。
• 回転運動に最小時間軌道生成器を採用し、速度制限と加速度制限をハード制約として強制する。
• RRT*のコスト関数に入力重みを導入し、並進運動の動的制約をソフトに強制する。
• 計画（3 Hz）と制御（60 Hz）の別々のループレートを持つ、並列的なソフトウェアアーキテクチャを実装する。
• 軌道追従にPI制御を採用し、現在のポーズ誤差に基づいて制御入力を計算する。
• RRT*アルゴリズムにおける効率的な衝突検査のため、ロボットと障害物の幾何形状を点と円に簡略化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重積分器ダイナミクスを用いたキネドナミック-RRT*は、動的障害物が存在する環境でも、衝突のない動的に実行可能な軌道を生成できるか？
• RQ2 障害物の運動が予測不能に変化した場合、オンライン再計画が軌道の実行可能性をどの程度効果的に維持できるか？
• RQ3 並進運動と回転運動の計画を分離することで、計算効率と制約処理の面でどの程度の向上が得られるか？
• RQ4 リアルタイム制約下でも、PIベースの軌道追従は計画された参照軌道をどの程度正確に追従できるか？
• RQ5 制御ループが60 Hzで動作する中で、3 Hzという低頻度の計画周波数でも、システムの性能を維持できるか？

主な発見

• 運動計画システムは、障害物のパスが事前に計算されていない動的シミュレーションにおいても、衝突のない軌道を正常に生成した。
• 軌道追従システムは、計画されたポーズと速度プロファイルをよく追従しており、実現された軌道が計画されたものと図8に示すように非常に近い結果を示した。
• オンライン再計画の面で高いロバストネスを示し、障害物の位置が変化した場合でも1.4秒以内に適応した。図9を参照。
• RRT*における入力重みの使用により、解のコストが低減され収束性が向上した一方で、回転運動のハード制約により実行可能性が保証された。
• 分離アプローチにより、計算が効率的に行われ、3 Hzという低頻度の計画周波数であってもリアルタイム性能を達成できた。
• ROSベースのGazeboシミュレーションで実装が検証され、動画とコードは公開されており、再現性が確保されている。