Manual d'usuari de ROBOWORKS Robofleet ALGORITMES MULTI-AGENT

La primera part tracta principalment de la introducció del mètode de formació multi-robot;
la segona part descriu principalment la configuració de comunicació multimàquina ROS, inclosa la comunicació multimàquina de construcció ROS i els problemes que es poden trobar en el procés de comunicació ROS;

la tercera part descriu principalment els passos de funcionament de la sincronització horària multimàquina;
la quarta part exposa l'ús específic del paquet de funcions de formació de múltiples màquines.

L'objectiu d'aquest document és una introducció als sistemes robòtics multiagent i permet als usuaris iniciar ràpidament el projecte de formació de múltiples robots.

INTRODUCCIÓ ALS ALGORISMES MULTI-AGENT

Algoritmes de formació de múltiples agents

Aquest paquet ROS presenta un problema típic de multiagents en el control col·laboratiu durant una unitat de formació. Aquest tutorial estableix les bases per al desenvolupament futur sobre aquest tema. L'algoritme de control de formació fa referència a un algorisme que controla diversos agents per formar una formació específica per dur a terme una tasca. La col·laboració fa referència a la cooperació entre diversos agents que utilitzen una determinada relació de restricció per completar una tasca. Preneu la unitat de formació multi-robot com a exampLa col·laboració significa que diversos robots formen junts una formació desitjada. La seva essència és una certa relació matemàtica que es satisfà entre les posicions de cada robot. Els mètodes de formació es divideixen principalment en control de formació centralitzat i control de formació distribuït. Els mètodes de control de formació centralitzats inclouen principalment el mètode de l'estructura virtual, el mètode de la teoria gràfica i el mètode predictiu del model. Els mètodes de control de formació distribuïts inclouen principalment un mètode líder-seguidor, un mètode basat en el comportament i un mètode d'estructura virtual.
Aquest paquet ROS aplica el mètode líder-seguidor en el mètode de control de formació distribuït per executar la unitat de formació multi-robot. Un robot de la formació és designat com a líder i altres robots són designats com a esclaus per seguir-lo. L'algorisme utilitza la trajectòria de moviment del robot líder per establir les coordenades que han de seguir els robots següents amb una direcció i velocitat determinades. En corregir les desviacions de posició de les coordenades de seguiment, els seguidors eventualment reduiran la desviació entre el seguidor i les coordenades de seguiment esperades a zero per tal d'assolir els objectius de la unitat de formació. D'aquesta manera, l'algorisme és relativament menys complicat.

Algoritmes d'evitació d'obstacles

Un algorisme comú per evitar obstacles és el mètode del camp potencial artificial. El moviment del robot en un entorn físic es considera com un moviment en un camp de força artificial virtual. L'obstacle més proper s'identifica mitjançant LiDAR. L'obstacle proporciona un camp de força de repulsió per generar repulsió al robot i el punt objectiu proporciona un camp gravitatori per generar força gravitatòria al robot. D'aquesta manera, controla el moviment del robot sota l'acció combinada de repulsió i atracció.
Aquest paquet ROS és una millora basada en el mètode de camp de potencial artificial. En primer lloc, l'algoritme de formació calcula la velocitat lineal i angular del seguidor Slave. A continuació, augmenta o disminueix la velocitat lineal i angular segons els requisits d'evitació d'obstacles. Quan la distància entre el seguidor de l'esclau i l'obstacle és més propera, la força de repulsió de l'obstacle cap al seguidor de l'esclau és més gran. Mentrestant, el canvi de la velocitat lineal i les variacions de la velocitat angular són més grans. Quan l'obstacle està més a prop del davant del seguidor de l'esclau, la repulsió de l'obstacle cap al seguidor de l'esclau es fa més gran (la repulsió frontal és la més gran i la repulsió lateral és la més petita). Com a resultat, les variacions de la velocitat lineal i la velocitat angular són més grans. Mitjançant el mètode de camp de potencial artificial, millora una solució quan un robot podria deixar de respondre davant d'un obstacle. Això serveix per evitar millor els obstacles.

CONFIGURACIÓ DE COMUNICACIÓ MULTI-AGENT

La comunicació multiagent és un dels passos clau per completar una formació multi-robot. Quan es desconeixen les posicions relatives de diversos robots, els robots han de compartir la informació dels altres mitjançant la comunicació per facilitar l'establiment de connexions. L'arquitectura distribuïda per ROS i les comunicacions de xarxa són molt potents. No només és convenient per a la comunicació entre processos, sinó també per a la comunicació entre diferents dispositius. Mitjançant la comunicació de xarxa, tots els nodes poden funcionar en qualsevol ordinador. Les tasques principals, com ara el processament de dades, es completen al costat de l'amfitrió. Les màquines esclaves són les encarregades de rebre les dades ambientals recollides per diversos sensors. L'amfitrió aquí és el gestor que executa el node mestre a ROS. L'actual marc de comunicació multiagent es fa mitjançant un gestor de nodes i un gestor de paràmetres per gestionar les comunicacions entre diversos robots.

Els passos per configurar les comunicacions multiagent

Configureu els controls ROS a la mateixa xarxa
- Hi ha 2 maneres de configurar els controls ROS mestre/esclau a la mateixa xarxa.

Opció 1:

L'amfitrió mestre crea una wifi local executant el gestor de nodes mestre. Generalment, un dels robots designat com a mestre crea aquesta xarxa wifi. Altres robots o màquines virtuals s'uneixen a aquesta xarxa wifi com a esclaus.

Opcions 2:

La xarxa wifi local la proporciona un encaminador de tercers com a centre de retransmissió d'informació. Tots els robots estan connectats al mateix encaminador. L'encaminador també es pot utilitzar sense connexió a Internet. Seleccioneu un dels robots com a mestre i executeu el gestor de nodes mestre. Els altres robots es designen com a esclaus i executen el gestor del node mestre des del mestre.
La decisió sobre quina opció triar depèn dels requisits del vostre projecte. Si el nombre de robots que necessiten comunicar-se no és gran, es recomana l'opció 1, ja que estalvia costos i és fàcil de configurar. Quan el nombre de robots és gran, es recomana l'opció 2. La limitació de la potència de càlcul del control mestre ROS i l'ample de banda Wifi limitat a bord poden causar fàcilment retards i interrupcions de la xarxa. Un encaminador pot solucionar aquests problemes fàcilment. Tingueu en compte que quan feu una comunicació multiagent, si la màquina virtual s'utilitza com a esclau ROS, el seu mode de xarxa s'ha de configurar en mode pont.

Configurar variables d'entorn mestre/esclau

Després que tots els mestres ROS estiguin a la mateixa xarxa, s'han d'establir les variables d'entorn per a la comunicació multiagent. Aquesta variable d'entorn està configurada al fitxer .bashrc del directori principal. Executeu l'ordre gedit ~/.bashrc per llançar-lo. Tingueu en compte que s'han de configurar tant els fitxers .bashrc del mestre com de l'esclau en comunicació multiagent. El que s'ha de canviar són les adreces IP al final del fitxer. Les dues línies de són ROS_MASTER_URI i ROS_HOSTNAME, tal com es mostra a la figura 2-1-4. El ROS_MASTER_URI i el ROS_HOSTNAME de l'amfitrió ROS són IP locals. El ROS_MASTER_URI del fitxer .bashrc de l'esclau ROS s'ha de canviar a l'adreça IP de l'amfitrió mentre ROS_HOSTNAME es manté com a adreça IP local.

La comunicació multimàquina de ROS no està limitada per la versió de llançament de ROS. En el procés de comunicació multimàquina, cal tenir en compte el següent:

El funcionament del programa esclau ROS depèn del programa mestre ROS del dispositiu mestre ROS. El programa mestre ROS s'ha de llançar primer al dispositiu mestre abans d'executar el programa esclau al dispositiu esclau.
Les adreces IP de les màquines mestre i esclau en comunicació entre màquines han d'estar a la mateixa xarxa. Això significa que l'adreça IP i la màscara de subxarxa es troben a la mateixa xarxa.
ROS_HOSTNAME al fitxer de configuració de l'entorn .bashrc no es recomana utilitzar localhost. Es recomana utilitzar una adreça IP específica.
En el cas que l'adreça IP de l'esclau no estigui configurada correctament, el dispositiu esclau encara pot accedir al mestre ROS però no pot introduir informació de control.
Si la màquina virtual participa en la comunicació multiagent, el seu mode de xarxa s'ha de configurar en mode pont. No es pot seleccionar una IP estàtica per a la connexió de xarxa.
La comunicació entre màquines no pot view o subscriure's a temes de tipus de dades de missatges que no existeixen localment.
Podeu utilitzar la demostració de simulació de Little Turtle per verificar si la comunicació entre els robots té èxit:
- a. Fuig del mestre
  - Rescore #launch ROS services
  - rostrum turtles turtlesim_node #launch turtles interface
- b. Fugir de l'esclau
  - rerun turtles turtle_teleop_key #llançar el node de control del teclat per a les tortugues

Si podeu manipular els moviments de la tortuga des del teclat de l'esclau, vol dir que la comunicació mestre/esclau s'ha establert correctament.

Connexió Wifi automàtica a ROS

Els procediments següents expliquen com configurar el robot perquè es connecti automàticament a la xarxa amfitrió o a la xarxa d'encaminador.

Configuració automàtica de connexió Wifi per a Jetson Nano

Connecteu Jetson Nano mitjançant l'eina remota VNC o directament a la pantalla de l'ordinador. Feu clic a la icona de wifi a l'extrem superior dret i després feu clic a "Edita connexions...".
Feu clic al botó + a Connexions de xarxa:
A la finestra "Trieu un tipus de connexió", feu clic al menú desplegable i feu clic al botó "Crea...":

Al tauler de control, feu clic a l'opció Wifi. Introduïu el nom de Wiﬁ per connectar-vos als camps "Nom de connexió" i SSID. Seleccioneu "Client" al menú desplegable "Mode" i seleccioneu "wlan0" al menú desplegable "Dispositiu".
Al Tauler de control, feu clic a l'opció "General" i marqueu "Connecteu-vos automàticament a aquesta xarxa...". Estableix la prioritat de connexió a 1 a l'opció "Prioritat de connexió per a l'activació automàtica". Marqueu l'opció "Tots els usuaris es poden connectar a aquesta xarxa". Quan l'opció s'estableix a 0 a "Prioritat de connexió per a l'activació automàtica" per a altres wifi, això significa que aquesta és la xarxa wifi preferida en el passat.
Feu clic a l'opció "Seguretat Wi-Fi" al tauler de control. Seleccioneu "WPA & WPA2 Personal" al camp "Seguretat". A continuació, introduïu la contrasenya de Wifi al camp "Contrasenya".

Nota: Si el robot no es pot connectar automàticament a la xarxa wifi després de l'arrencada quan la prioritat de wiﬁ s'estableix a 0, pot ser que es degui a un problema d'un senyal wifi feble. Per evitar aquest problema, podeu optar per eliminar totes les opcions de wifi que s'han connectat en el passat. Conserveu només la xarxa wifi creada per l'amfitrió o l'encaminador. Feu clic a l'opció "Configuració IPv4" al tauler de control de la configuració de la xarxa. Seleccioneu l'opció "Manual" al camp "Mètode". A continuació, feu clic a "Afegeix", ompliu l'adreça IP de la màquina esclava al camp "Adreça". Empleneu "24" al camp "Màscara de xarxa". Ompliu el segment de xarxa IP a "Gateway". Canvieu els tres últims dígits del segment de xarxa IP a "1". L'objectiu principal d'aquest pas és corregir l'adreça IP. Després de completar-ho per primera vegada, l'adreça IP es mantindrà sense canvis quan es connecti a la mateixa WIFI posteriorment.

Després de configurar tots els paràmetres, feu clic a "Desa" per desar els paràmetres. Un cop s'hagi desat correctament, el robot es connectarà automàticament a la xarxa de l'amfitrió o encaminador quan estigui encès.

Nota:

L'adreça IP establerta aquí ha de ser la mateixa que l'adreça IP establerta al fitxer .bashrc a la Secció 2.1.
L'adreça IP del mestre i de cada esclau ha de ser única.
Les adreces IP mestre i esclau han d'estar al mateix segment de xarxa.

Heu d'esperar que l'amfitrió o l'encaminador enviï el senyal WiFi abans que el robot esclau es pugui encendre i connectar-se automàticament a la xarxa WiFi.
Un cop s'hagi configurat la configuració, si el robot no es pot connectar automàticament a la xarxa WiFi quan estigui encès, connecteu i desconnecteu la targeta de xarxa i proveu de connectar-vos de nou.

Configuració automàtica de connexió Wifi per a Raspberry Pi

El procediment per a Raspberry Pi és el mateix que Jetson Nano.

Configuració automàtica de connexió Wifi per a Jetson TX1

La configuració a Jetson TX1 és gairebé la mateixa que a Jetson Nano, amb una excepció, Jetson TX1 hauria de seleccionar el dispositiu "wlan1" a "Dispositiu" al tauler de control de configuració de xarxa.

CONFIGURACIÓ DE LA SINCRONITZACIÓ MULTI-AGENT

En el projecte de formació multiagent, la configuració de sincronització de temps multiagent és un pas crucial. En el procés de formació, es produiran molts problemes a causa del temps del sistema asíncron de cada robot. La sincronització horària multiagent es divideix en dues situacions, és a dir, la situació en què tant els robots mestres com els esclaus estan connectats a la xarxa i la situació en què tots dos estan desconnectats de la xarxa.

Connexió de xarxa mestre/esclau correcta

Un cop configurada la comunicació multiagent, si les màquines mestre i esclau es poden connectar correctament a la xarxa, sincronitzaran automàticament l'hora de la xarxa. En aquest cas, no calen més accions per aconseguir la sincronització horària.

Resolució de problemes de desconnexions de xarxa

Un cop configurada la comunicació multiagent, si els dispositius mestre i esclau no es poden connectar correctament a la xarxa, cal sincronitzar l'hora manualment. Utilitzarem l'ordre de data per completar la configuració de l'hora.

Primer, instal·leu l'eina de terminació. Des de l'eina de terminació, utilitzeu l'eina de divisió de finestres per col·locar els terminals de control del mestre i l'esclau a la mateixa finestra de terminal (feu clic amb el botó dret per configurar una finestra dividida i inicieu sessió a les màquines mestre i esclau mitjançant ssh a diferents finestres) .

sudo apt-get install terminator # Baixeu el terminador per dividir la finestra del terminal

Feu clic al botó de la part superior esquerra, seleccioneu l'opció [Emet a tots]/[Emet a tots] i introduïu l'ordre següent. A continuació, utilitzeu l'eina de terminació per configurar el mateix temps per al mestre i l'esclau.

sudo date -s "2022-01-30 15:15:00" # Configuració manual de l'hora

PAQUET ROS MULTI-AGENT

Introducció al paquet ROS

Configura el nom de l'esclau

Al paquet de funcions wheeltec_multi, cal establir un nom únic per a cada robot esclau per tal d'evitar errors. Per example, núm. 1 per esclau1 i núm. 2 per a esclau2, etc. El propòsit d'establir diferents noms és agrupar els nodes en execució i distingir-los per diferents espais de noms. Per example, el tema del radar de l'esclau 1 és/slave1/scan, i el node LiDAR de l'esclau 1 és/slave1/laser.

Configureu les coordenades de l'esclau

El paquet wheeltec_multi pot implementar formacions personalitzades. Quan es requereixin formacions diferents, només cal modificar les coordenades desitjades dels robots esclaus. Slave_x i slave_y són les coordenades x i y de l'esclau amb el mestre com a punt de referència original. La part frontal del mestre és la direcció positiva de la coordenada x, i el costat esquerre és la direcció positiva de la coordenada y. Un cop finalitzada la configuració, s'emetrà una coordenada TF slave1 com a coordenada esperada de l'esclau. Si hi ha un mestre i dos esclaus, es pot configurar la següent formació:

Formació horitzontal: podeu establir les coordenades de l'esclau de l'esquerra a slave_x:0, slave_y: 0.8 i les coordenades de l'esclau de la dreta a slave_x:0, slave_y:-0.8.
Formació de columnes: les coordenades d'un esclau es poden establir a: slave_x:-0.8, slave_y:0 i les coordenades de l'altre esclau es poden establir a: slave_x:-1.8, slave_y:0.

Formació triangular: les coordenades d'un esclau es poden establir a: slave_x:-0.8, slave_y: 0.8 i les coordenades de l'altre esclau es poden establir a: slave_x:-0.8, slave_y:-0.8.

Altres formacions es poden personalitzar segons sigui necessari.

Nota:

La distància recomanada entre els dos robots s'estableix en 0.8, i es recomana que no sigui inferior a 0.6. Es recomana establir la distància entre els esclaus i el mestre per sota de 2.0. Com més lluny estigui del mestre, més gran serà la velocitat lineal de l'esclau quan el mestre gira. A causa de la limitació de la velocitat màxima, la velocitat de l'esclau es desviarà si no compleix els requisits. La formació del robot esdevindrà caòtica.

Inicialització de la posició d'esclau

La posició inicial de l'esclau és a les coordenades esperades per defecte. Abans d'executar el programa, només cal que col·loqueu el robot esclau a prop de les seves coordenades esperades per completar la inicialització. Aquesta funció la implementa el node pose_setter al fitxer anomenat turn_on_wheeltec_robot.launch al paquet wheeltec_multi, tal com es mostra a la figura 4-1-3.

Si l'usuari vol personalitzar la posició inicial de l'esclau, només necessita establir els valors slave_x i slave_y tal com es mostra a la figura 4-1-4 a wheeltec_slave.launch. Els valors slave_x i slave_y es passaran a turn_on_wheeltec_robot.launch i s'assignaran al node pose_setter. Només cal col·locar el robot en una posició personalitzada abans d'executar el programa.

Configuració de la posició

En una formació multiagent, el primer problema a resoldre és el posicionament del mestre i de l'esclau. El mestre construirà primer un mapa 2D. Després de crear i desar el mapa, executeu el paquet de navegació 2D i utilitzeu l'algoritme de posicionament adaptatiu de Monte Carlo (posicionament amcl) al paquet de navegació 2D per configurar el posicionament del mestre. Com que el mestre i els esclaus es troben a la mateixa xarxa i comparteixen el mateix gestor de nodes, el mestre ha llançat el mapa des del paquet de navegació 2D, tots els esclaus poden utilitzar el mateix mapa sota el mateix gestor de nodes. Per tant, l'esclau no necessita crear un mapa. A wheeltec_slave.launch, executeu el posicionament Monte Carlo (posicionament amcl), els esclaus poden configurar les seves posicions utilitzant el mapa creat pel mestre.

Com crear formació i mantenir la formació

En el procés de moviment de formació, el moviment mestre es pot controlar mitjançant Rviz, teclat, control remot i altres mètodes. L'esclau calcula la seva velocitat a través del node slave_tf_listener per tal de controlar el seu moviment i aconseguir l'objectiu de la formació. El node slave_tf_listener limita la velocitat de l'esclau per evitar una velocitat excessiva pel càlcul del node, que provocarà una sèrie d'impactes. El valor especíﬁc es pot modificar a wheeltec_slave.launch.

Els paràmetres rellevants de l'algorisme de formació són els següents:

Informació d'evitació d'obstacles

En una formació multiagent, el mestre pot utilitzar el node move_base per completar l'evitació d'obstacles. Tanmateix, la inicialització de l'esclau no utilitza el node move_base. En aquest punt, cal cridar el node multi_avoidance al programa esclau. El node d'evitació d'obstacles està habilitat per defecte al paquet. Si cal, l'evitació es pot establir a "fals" per desactivar el node d'evitació d'obstacles.

Alguns paràmetres rellevants del node d'evitació d'obstacles es mostren a la figura següent, on safe_distance és el límit de distància de seguretat d'obstacles i danger_distance és el límit de distància perillosa d'obstacles. Quan l'obstacle es troba a una distància de seguretat i una distància de perill, l'esclau ajusta la seva posició per evitar l'obstacle. Quan l'obstacle estigui en perill, l'esclau s'allunyarà de l'obstacle.

Procediment d'operació

Introduïu l'ordre d'execució

Preparacions abans de començar la formació de múltiples agents:

El mestre i l'esclau es connecten a la mateixa xarxa i configuren correctament la comunicació multiagent

El mestre construeix un mapa 2D per endavant i el desa
El mestre es col·loca al punt inicial del mapa i l'esclau es col·loca a prop de la posició d'inicialització (la posició per defecte de formació de l'esclau)
Després d'iniciar sessió a Jetson Nano/Raspberry Pi de forma remota, realitzeu la sincronització de l'hora.

sudo date -s "2022-04-01 15:15:00"

Pas 1: Obriu un mapa 2D des del mestre.

roslaunch turn_on_wheeltec_robot navigation.launch

Pas 2: Executeu el programa de formació des de tots els esclaus.

roslaunch wheeltec_multi wheeltec_slave.launch

Pas 3: Obriu el node de control del teclat des del mestre o utilitzeu el joystick per controlar a distància el moviment mestre.

rellança wheeltec_robot_rc keyboard_teleop.launch

Pas 4: (Opcional) Observeu els moviments del robot des de Rviz.

rviz

Nota:

Assegureu-vos de completar l'operació de sincronització de l'hora abans d'executar el programa.
Quan es controla el mestre d'una formació multiagent, la velocitat angular no hauria de ser massa ràpida. La velocitat lineal recomanada és de 0.2 m/s, grau de velocitat angular inferior a 0.3 rad/s. Quan el mestre està fent un gir, com més lluny estigui l'esclau del mestre, més gran serà la velocitat lineal necessària. A causa del límit de la velocitat lineal i la velocitat angular del paquet, quan el cotxe esclau no pot assolir la velocitat requerida, la formació serà caòtica. En general, la velocitat lineal excessiva pot danyar fàcilment el robot.

Quan el nombre d'esclaus és més d'un, a causa de l'ample de banda wifi a bord limitat de l'amfitrió ROS, és fàcil provocar retards significatius i la desconnexió de la comunicació multiagent. L'ús d'un encaminador pot resoldre bé aquest problema.
L'arbre TF de la formació multi-robot (2 esclaus) és: rqt_tf_tree
El diagrama de relació de nodes de la formació multi-robot (2 esclaus) és: rqt_graph

Documents/Recursos

ROBWORKS ALGORISMES MULTI-AGENT de Robofleet [pdfManual d'usuari
Algoritmes de Robofleet per a múltiples agents, Robofleet, Algoritmes de múltiples agents, Algoritmes d'agents, Algoritmes

Referències

Manual d'usuari

ROBWORKS ALGORISMES MULTI-AGENT de Robofleet

Especificacions

Informació del producte

Preguntes freqüents