[论文解读] MengeROS: a Crowd Simulation Tool for Autonomous Robot Navigation

Anoop Aroor, Susan L. Epstein+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2018

Evacuation and Crowd Dynamics参考文献 4被引用 4

一句话总结

MengeROS 是一个开源的、与 ROS 集成的 2D 仿真器，通过将 Menge 人群仿真器与 ROS 结合，实现了在动态、大规模人群环境中的真实感多机器人导航测试。它支持同时仿真多个机器人和 1,000 名行人，具备可配置的碰撞避免和传感器模型，在标准硬件上实现实时性能，同时支持 A* 和 CSA* 等导航算法的直接对比。

ABSTRACT

While effective navigation in large, crowded environments is essential for an autonomous robot, preliminary testing of algorithms to support it requires simulation across a broad range of crowd scenarios. Most available simulation tools provide either realistic crowds without robots or realistic robots without realistic crowds. This paper introduces MengeROS, a 2-D simulator that realistically integrates multiple robots and crowds. MengeROS provides a broad range of settings in which to test the capabilities and performance of navigation algorithms designed for large crowded environments.

研究动机与目标

• 为解决缺乏开源、原生支持 ROS 的仿真工具，以真实方式集成机器人与动态人群，用于自主导航测试。
• 实现复杂、多变人群场景（如商场、博物馆和贸易展）中机器人导航的全面、大规模仿真。
• 在真实人群条件下，支持导航算法的评估与对比，为实际部署提供依据。
• 通过将 Menge 人群仿真器与 ROS 集成，扩展其功能，实现机器人控制与传感器仿真。
• 通过可扩展、灵活的仿真，降低在拥挤室内环境中机器人导航的研究成本与开发时间。

提出的方法

• MengeROS 将开源的 Menge 人群仿真器与机器人操作系统（ROS）集成，实现在单个 ROS 节点中统一仿真机器人与行人。
• 它使用 Menge 的目标选择、路径规划（A* 和势场法）以及六种碰撞避免模型（包括社会力模型、ORCA 和 PedVO），以实现真实感的行人运动。
• 每个机器人由外部 ROS 控制器控制，接收速度指令，并可配置视场角和探测范围，模拟激光测距仪数据。
• 行人通过所选的碰撞避免模型避免与其他行人和机器人碰撞，而机器人则完全依赖外部控制器指令进行障碍物规避。
• 系统支持可配置的机器人半径、无噪声运动，以及所有参与者位置和传感器读数的 ROS 兼容输出。
• 性能在决策周期内进行测量，使用多核工作站收集时间数据，以评估机器人和行人数量增加时的可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种仿真工具，以支持在拥挤室内环境中对多机器人导航进行真实、大规模的测试？
• RQ2 将人群仿真器与 ROS 集成，在多大程度上能提升机器人导航算法评估的有效性与真实性？
• RQ3 MengeROS 在复杂环境中，其性能如何随机器人和行人数量的增加而变化？
• RQ4 MengeROS 是否能够通过模拟的激光扫描数据，支持传统路径规划方法（如 A*）与先进方法（如 CSA*）的对比？
• RQ5 在共享人群仿真环境中，同时模拟多个机器人及其传感器处理时，计算瓶颈是什么？

主要发现

• MengeROS 成功在复杂环境（如贸易展布局）中同时仿真最多 1,000 名行人和 20 台机器人。
• 在无机器人的情况下，MengeROS 在 8 核、1.2 GHz 工作站上实现平均决策周期时间为 51ms，表明其具备出色的基线性能。
• 在 20 台机器人参与时，平均决策周期时间增加至 1,568ms，表明性能呈线性下降，与机器人数量成正比。
• 系统支持配置为 220° 视场角、最大探测距离 25 米的实时机器人激光测距扫描仿真。
• MengeROS 支持使用模拟的 2D 激光扫描数据，直接对比导航算法（如 A* 和 CSA*），以学习人群密度图。
• 该工具具有可扩展性且为开源，代码、文档和演示已托管于 GitHub，便于在机器人研究中推广和进一步开发。