原創(chuàng) | 文 BFT機(jī)器人

01?摘要

這篇文章是關(guān)于機(jī)器人路徑跟蹤的受控純追蹤算法的研究。文章介紹了傳統(tǒng)的純追蹤算法以及相關(guān)變體，并提出了受控純追蹤算法作為本文的主要貢獻(xiàn)。該算法旨在適應(yīng)實(shí)際環(huán)境中的服務(wù)和工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人，提供方法來(lái)調(diào)整機(jī)器人的平移速度以適應(yīng)當(dāng)前條件。文章還討論了該算法在實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并提供了結(jié)論。

02?受控純追蹤算法與其他局部軌跡規(guī)劃技術(shù)的不同

受控純追蹤算法是一種局部軌跡規(guī)劃技術(shù)，適用于現(xiàn)實(shí)世界中受約束和部分可觀測(cè)環(huán)境中的服務(wù)和工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人。它提供了使機(jī)器人的平移速度適應(yīng)當(dāng)前條件的方法，例如在急轉(zhuǎn)彎或在受限區(qū)域操作時(shí)降低速度。該算法使用線性調(diào)節(jié)成本函數(shù)在各種實(shí)際的移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境中提供高質(zhì)量的行為。與其他局部軌跡規(guī)劃技術(shù)相比，受控純追蹤是專門為移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的，并提供了根據(jù)當(dāng)前條件調(diào)整速度的方法。

03?受控純追蹤算法的目的是什么

該算法旨在提高服務(wù)和工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的性能，特別是在受限制和部分可觀測(cè)的環(huán)境中。它提供了一種方法來(lái)調(diào)整機(jī)器人的平移速度以適應(yīng)當(dāng)前條件，例如在轉(zhuǎn)彎處或在狹窄區(qū)域操作時(shí)減少機(jī)器人速度。文章還通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性，并指出該算法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)中。因此，該算法有助于提高服務(wù)和工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人在各種行業(yè)中的性能和應(yīng)用范圍。

04?算法的核心是什么？

其核心是通過(guò)調(diào)整機(jī)器人的平移速度以適應(yīng)當(dāng)前條件來(lái)提高機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的性能。該算法使用線性調(diào)節(jié)成本函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并提供了高質(zhì)量的行為，適用于各種實(shí)際移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境。相比傳統(tǒng)純追蹤算法，受控純追蹤算法可以更好地適應(yīng)實(shí)際環(huán)境，并提高機(jī)器人的安全性和效率。因此，該算法的核心是通過(guò)調(diào)整機(jī)器人速度來(lái)適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境，從而提高機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的性能和安全性。

05?論文原理

調(diào)節(jié)純追求算法的第一階段是變換輸入路徑到機(jī)器人的基坐標(biāo)系中并進(jìn)行修剪。在此過(guò)程中，路徑曲率的確定被簡(jiǎn)化為公式1所示的簡(jiǎn)單代數(shù)表達(dá)式。

A.?受控純追蹤算法

變換前，確定，所有先前點(diǎn)將從存儲(chǔ)路徑中永久刪除，以防止將來(lái)對(duì)過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行不必要的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的路徑也對(duì)所有的點(diǎn)進(jìn)行修剪，其中，因?yàn)樗鼈冏銐蜻h(yuǎn)，在t時(shí)不需要考慮它們。這些遠(yuǎn)路徑點(diǎn)繼續(xù)保存在存儲(chǔ)的路徑中，以便將來(lái)迭代，直到機(jī)器人沿著路徑前進(jìn)時(shí)接收到新的路徑。

接下來(lái)，RPP(Regulated Pure Pursuit)將使用與公式2中描述的純追蹤算法相同的前瞻性選擇機(jī)制。

前瞻距離與速度和前視增益成正比，以便在移動(dòng)更快的同時(shí)使用更長(zhǎng)的距離，從而不留下誤導(dǎo)結(jié)果的機(jī)會(huì)。這在較大的平移速度范圍內(nèi)穩(wěn)定了路徑跟蹤行為。該距離用于選擇前導(dǎo)點(diǎn)。雖然路徑點(diǎn)之間的插值被發(fā)現(xiàn)可以明顯提高自動(dòng)駕駛汽車速度下稀疏路徑的平滑性，但從經(jīng)驗(yàn)上看，在使用典型網(wǎng)格地圖規(guī)劃分辨率(0.025 m - 0.1 m)的服務(wù)和工業(yè)機(jī)器人速度下，這并沒(méi)有帶來(lái)太大的好處。然而，插值有利于在稀疏路徑分辨率(0.1 - 1.0m)中使用。

期望的線速度，接下來(lái)由曲率和接近啟發(fā)式進(jìn)一步處理。兩種啟發(fā)式方法都適用于線速度，文章中取兩者的最大值。

將接近啟發(fā)式算法應(yīng)用于機(jī)器人接近動(dòng)態(tài)障礙物或固定基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)的線速度。這樣做的目的是在碰撞可能性特別高的受限環(huán)境中減慢機(jī)器人的速度。降低固定基礎(chǔ)設(shè)施附近的速度，通過(guò)減少狹小空間中小路徑變化的影響，降低碰撞的可能性。

降低工業(yè)和服務(wù)機(jī)器人在接近動(dòng)態(tài)主體(如人類)時(shí)的速度是一項(xiàng)常見(jiàn)的安全要求——允許機(jī)器人更快地做出反應(yīng)，以防止?jié)撛诘膫?。該啟發(fā)式的線性公式通過(guò)的比值和增益α來(lái)降低速度，以調(diào)整單個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)。測(cè)試的其他公式，如指數(shù)和二次公式，對(duì)接近物體的懲罰太大，只包含一個(gè)狹窄的增益范圍，這將導(dǎo)致在接近障礙物和完成機(jī)器人任務(wù)的速度之間進(jìn)行可接受的權(quán)衡。

其中是應(yīng)用啟發(fā)式算法的障礙物的接近距離，是到障礙物的當(dāng)前距離，α是縮放攻擊行為啟發(fā)式函數(shù)的增益，要求α≤1.0。α值越高，機(jī)器人在接近障礙物時(shí)的速度越快。的值應(yīng)該根據(jù)機(jī)器人應(yīng)用的系統(tǒng)需求來(lái)確定，即在機(jī)器人開(kāi)始放慢其最大速度之前，障礙物可以接近到什么程度。

調(diào)整速度后，算法確定路徑曲率。角速度是使用調(diào)節(jié)速度計(jì)算的，而不是期望的線速度，這可以防止相對(duì)于目標(biāo)曲率的相應(yīng)欠沖行為。最后，角速度，可以用公式3簡(jiǎn)單地求出來(lái)。

算法的最后一步是檢查我們的路徑跟蹤命令是否有當(dāng)前或即將發(fā)生的碰撞，這是RPP的新功能。給定的角速度和調(diào)節(jié)的線速度可以在時(shí)間上向前投射，得到一個(gè)圓弧?；∩系狞c(diǎn)以網(wǎng)格地圖單元分辨率向前采樣一段時(shí)間。

碰撞檢查是基于碰撞的持續(xù)時(shí)間，而不是基于前瞻點(diǎn)，這樣機(jī)器人離碰撞總是至少有一段設(shè)定的持續(xù)時(shí)間。在低速行駛時(shí)，在幾十米或幾百秒之外的前方進(jìn)行碰撞檢查可能是不明智的。相反，時(shí)間模式允許在有限的空間中進(jìn)行精細(xì)的操作，在這種空間中，當(dāng)前的速度命令可能在短距離(但長(zhǎng)時(shí)間)之外不被允許。

B.實(shí)驗(yàn)效果

本文提出了一種改進(jìn)的基于點(diǎn)對(duì)特征的點(diǎn)云6D姿態(tài)估計(jì)方法。該方法提出了一種PCA算法中封閉幾何的法向解的方法，并引入了一種通過(guò)將體素網(wǎng)格劃分為等效角度單元的高效采樣方法。最后，采用ICP的變體、基于擬合點(diǎn)的驗(yàn)證步驟和NMS算法進(jìn)行細(xì)化和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較高的效率和魯棒性，平均召回率為0.87。

圖1 論文實(shí)驗(yàn)中使用的機(jī)器人

圖2 全系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)行程，全長(zhǎng)70米。

機(jī)器人將沿著一條路線通過(guò)圖7所示的校園建筑中的三個(gè)控制點(diǎn)。該路線包括無(wú)碰撞的開(kāi)放空間、封閉的大廳和大約70米的盲急轉(zhuǎn)彎。機(jī)器人使用每種算法重復(fù)三次路徑，數(shù)據(jù)如表3所示。本實(shí)驗(yàn)的目的是將RPP算法在系統(tǒng)級(jí)的一般行為與現(xiàn)有變體進(jìn)行比較。

數(shù)據(jù)表明在整個(gè)系統(tǒng)級(jí)行為上差別不大——導(dǎo)航的平均時(shí)間在85-95秒之間。與之前的實(shí)驗(yàn)一致，PP (Pure Pursuit)確實(shí)顯示了稍短的行進(jìn)距離和增加的跟蹤誤差對(duì)應(yīng)于路徑抄近路。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)最引人注目的特點(diǎn)是算法之間缺乏特別獨(dú)特的結(jié)果。盡管RPP在狹窄的走廊和完成急轉(zhuǎn)彎時(shí)減慢了機(jī)器人的速度，但令人驚訝的是，這些動(dòng)作對(duì)高級(jí)導(dǎo)航指標(biāo)沒(méi)有顯著影響。當(dāng)考慮到試驗(yàn)之間的標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，三種算法的任務(wù)完成時(shí)間和平均速度是一致的。RPP的系統(tǒng)級(jí)性能與APP非常相似，因此我們得出結(jié)論，RPP的額外好處對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)幾乎沒(méi)有壞處。

事實(shí)上，解決方案架構(gòu)師可以在使用RPP時(shí)適度提高機(jī)器人的最大速度，因?yàn)樗谵D(zhuǎn)彎和靠近障礙物時(shí)速度會(huì)變慢(機(jī)器人應(yīng)用中速度的常見(jiàn)限制因素)。這大大提高了機(jī)器人系統(tǒng)的整體效率，同時(shí)確保了更高質(zhì)量的安全特性。

論文資料：https://arxiv.org/abs/2305.20026??

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