仿真软件-多机器人2

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Underwater Multi-Robot Simulation and Motion Planning in Angler

钓鱼船水下多机器人仿真与运动规划

摘要

背景:

在水下环境中部署多机器人系统成本极高、周期很长。

因此,在仿真环境中测试算法和软件可以显著加快开发进度,因为它能把软件逻辑与实际硬件分离开来(不用真下水也能调试)。
研究现状:

目前已有一个比较好的仿真框架 Angler,

它能很好地模拟水下机器人控制中底层通信协议(比如 ArduSub autopilot),因此"逼真度"较高。

但是------它不支持多机器人仿真。

我们提出:

作者提出了对 Angler 的扩展,使其能够支持多机器人仿真 与运动规划。

这句话标志着论文的研究目标和创新点。
具体方法:

我们设计了一个模块化架构,重点在于:

  1. 通信层面:创建多个不冲突的通信通道,使 Gazebo、ArduSub SITL(软件在环仿真)和 MAVROS 能同时驱动多个机器人在同一环境下运行。(这是原 Angler 无法做到的地方------原来所有机器人共享通信接口,现在做了隔离。)
  2. 运动规划层面:新增一个多机器人运动规划模块,通过 ROS2 的 JointTrajectory 控制器与控制层对接。同时集成了:OMPL(Open Motion Planning Library)进行路径规划;碰撞避免模块;程序化环境生成工具(Procedural Environment Generation Tools),支持自动生成复杂水下环境。

从通信 → 控制 → 环境,形成一个完整可扩展的多机器人仿真系统。

introduction

背景:

水下多机器人系统能执行复杂的协作任务,比如:海底管线建设(offshore subsea pipeline networks);多点探索、加快覆盖效率。
机器人集群在水下场景中有巨大潜力:"能干单机器人干不了的事,也能干得更快。"

需求痛点:

真正部署这些系统困难重重:成本高(hardware investment);风险高(设备易损、环境恶劣);调试周期长(每次测试都要下水)。

必须依赖仿真环境来提前验证算法、软件、传感器集成等模块,减少成本与风险。

研究问题:

这段非常关键,它把"研究问题"具体化为技术挑战:

问题1:计算复杂度高。

碰撞检测(collision detection)是运动规划的基础模块,但计算量巨大,且机器人数量一多复杂度就爆炸。

问题2:动态环境。

水下环境中存在:海流(ocean currents);浮力(buoyancy);移动物体(moving obstacles)。环境不断变化,机器人必须实时重规划(online replanning)。

问题3:多机器人之间也要互相避障。这进一步加剧了实时性挑战。

急需一个能支持"多机器人+动态环境+实时避障"的仿真与规划平台。

国内外现状:

介绍了目前最接近现实的框架 Angler:

是一个开源仿真框架(open-source framework);

与 ArduSub SITL(Software-In-The-Loop) 集成;

可实现接近真实硬件的仿真测试;

基于 Gazebo 和 ROS 2;

原本设计给 BlueROV2 Heavy(主流的水下机器人);

也能扩展到其他类型水下机器人。

这个屌的仿真软件仍然有缺点:

尽管 Angler 很强,但有两个明显的短板:

没有集成运动规划模块(no motion planning built-in);

不支持多机器人仿真(no multi-robot system support)。

其原因是:

ROS2、ArduSub SITL、MAVROS 各自的通信通道配置复杂;

难以同时维持多个机器人实例之间独立又协同的通信与控制通道。

→ 核心痛点是 多机器人通信与协调控制难实现。

contrbution

一个多机器人仿真平台

支持 ArduSub SITL;

提供虚拟自动驾驶功能(virtual autopilot)。

→ 让软件层仿真接近真实硬件部署。

集成运动规划工具

包括实时环境反馈;

在线规划(online planning);

碰撞检测;

程序化环境生成(environment generator)。

→ 支持动态环境下的多机器人规划研究与算法验证。

控制兼容性强

兼容任何能集成到 ROS2 JointTrajectory 控制器下的控制器;

→ 提高系统的可扩展性与通用性。

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