[논문 리뷰] 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 Ardiyanto외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 12.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 로봇 축구 대회에서의 실시간 동적 환경에서 다방향 이동 로봇을 위한 실시간 운동 계획 시스템을 제안한다. 이 시스템은 이중 적분기계역학 동역학을 사용한 운동 계획 기반-RRT*와 회전 운동을 위한 최소 시간 경로 생성기를 활용한다. 시스템은 온라인 재계획 수립과 피드백 제어를 통해 충돌이 없는 동적 가능성을 갖춘 경로 추적을 가능하게 하여, ROS 기반 시뮬레이션 환경에서도 이동 장애물이 존재하는 상황에서도 안정적인 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 로보컵 중거리 리그에서 흔히 볼 수 있는 높은 동적 특성과 적대적 환경에서 다방향 이동 로봇의 실시간 운동 계획 문제를 해결하기 위해.
• 안전성과 실현 가능성을 향상시키기 위해 로봇의 동역학과 장애물 예측 정보를 운동 계획에 통합하기 위해.
• 낮은 계획 주기 조건에서도 시간에 따라 변화하는 환경에서 온라인 재계획 수립과 경로 추적을 가능하게 하기 위해.
• 계산 효율성과 제약 조건 충족을 위해 직선 이동과 회전 운동 계획을 분리하기 위해.
• ROS와 Gazebo를 사용한 현실적인 시뮬레이션 환경에서 시스템의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 이중 적분기계역학 동역학을 사용하여 운동 계획을 직선 이동과 회전 운동으로 분리하고, 운동 계획 기반-RRT*를 통해 직선 이동 경로를 계획한다.
• 회전 운동을 위한 최소 시간 경로 생성기를 사용하여 속도 및 가속도 제한을 경계 조건으로 강제 적용한다.
• RRT*의 비용 함수에 입력 가중치를 적용하여 직선 이동 운동의 동역학 제약 조건을 부드럽게 강제 적용한다.
• 계획 주기 3Hz, 제어 주기 60Hz로 별도의 주기로 작동하는 동시 소프트웨어 아키텍처를 구현하여 온라인 운동 계획 및 경로 추적을 수행한다.
• 피드백 제어를 통해 경로 추적을 수행하며, 제어 입력은 현재 위치 오차를 기반으로 계획된 기준 경로와의 차이에 따라 계산된다.
• RRT* 알고리즘에서 효율적인 충돌 검사를 위해 로봇과 장애물의 기하학적 형태를 점과 원으로 단순화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 적분기계역학 동역학을 사용한 운동 계획 기반-RRT*는 이동 장애물이 존재하는 동적 환경에서 충돌이 없고 동적 가능성이 보장된 경로를 생성할 수 있는가?
• RQ2 장애물의 움직임이 예측 불가능하게 변화할 경우, 온라인 재계획 수립이 경로의 실현 가능성을 얼마나 효과적으로 유지하는가?
• RQ3 직선 이동과 회전 운동 계획을 분리함으로써 계산 효율성과 제약 조건 처리 능력이 얼마나 향상되는가?
• RQ4 실시간 제약 조건 하에서 피드백 제어 기반의 경로 추적 성능은 계획된 기준 경로를 얼마나 잘 따라가는가?
• RQ5 제어 루프가 60Hz로 작동하는 동안 계획 주기가 낮은 3Hz여도 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 운동 계획 시스템은 장애물의 움직임이 사전에 계산되지 않은 동적 시뮬레이션 환경에서도 충돌이 없는 경로를 성공적으로 생성하였다.
• 경로 추적 시스템은 계획된 자세 및 속도 프로파일을 매우 잘 따르며, 그 결과 경로가 도식 8에서 보여지듯이 계획된 경로와 매우 유사하게 실현되었다.
• 온라인 재계획 수립 기능은 장애물 위치 변화에 대해 1.4초 이내에 적응하여 뛰어난 안정성을 보였다 (도식 9 참조).
• RRT*에 입력 가중치를 적용함으로써 해의 비용을 감소시키고 수렴 속도를 향상시켰으며, 동시에 회전 운동에 대한 경계 조건을 강제 적용하여 실현 가능성을 확보하였다.
• 분리된 접근 방식 덕분에 효율적인 계산이 가능하여, 3Hz의 낮은 계획 주기 조건에서도 실시간 성능을 유지를 하였다.
• ROS 기반의 Gazebo 시뮬레이션 환경에서 시스템의 구현이 성공적으로 검증되었으며, 재현 가능성을 위해 영상 및 소스 코드를 공개하였다.