ROBOWORKS Robofleet MULTI-AGENT ALGORITHMS Brugervejledning

A: Hvis robotten ikke kan oprette forbindelse automatisk, prøv at tage stikket ud og sætte netværkskortet i igen og forsøge at oprette forbindelse igen.

OVERSIGT

Dette dokument forklarer hovedsageligt brugen af multi-robot-formationsfunktionspakken ved navn wheeltec_multi.

Dette dokument er opdelt i fire dele:

Den første del handler hovedsageligt om introduktionen af multi-robot formationsmetoden;
den anden del beskriver hovedsageligt ROS-multimaskinekommunikationsindstillingerne, herunder ROS-konstruktionsmultimaskinekommunikation og de problemer, der kan opstå i processen med ROS-kommunikation;

den tredje del beskriver hovedsageligt operationstrinnene for multimaskine tidssynkronisering;
den fjerde del redegør for den specifikke brug af multi-maskine formation funktionspakken.

Formålet med dette dokument er en introduktion til multi-agent robotsystemer og giver brugerne mulighed for hurtigt at starte multi-robot dannelsesprojektet.

INTRODUKTION TIL MULTI-AGENT ALGORITHMER

Algoritmer til dannelse af flere agenter

Denne ROS-pakke præsenterer et typisk problem med multi-agenter i kollaborativ kontrol under et formationsdrev. Denne tutorial lægger et fundament for fremtidig udvikling af dette emne. Formationskontrolalgoritmen refererer til en algoritme, der styrer flere agenter til at danne en specifik formation til at udføre en opgave. Samarbejde refererer til samarbejdet mellem flere agenter, der bruger et bestemt begrænsningsforhold til at fuldføre en opgave. Tag multi-robot formation drevet som en example, samarbejde betyder, at flere robotter danner en ønsket formation sammen. Dens essens er et vist matematisk forhold, der er opfyldt mellem hver robots positioner. Dannelsesmetoder er hovedsageligt opdelt i centraliseret formationskontrol og distribueret formationskontrol. Centraliserede formationskontrolmetoder omfatter hovedsageligt den virtuelle strukturmetode, grafisk teorimetode og modelforudsigelsesmetode. Distribuerede formationskontrolmetoder omfatter hovedsageligt en leder-følgermetode, en adfærdsbaseret metode og en virtuel strukturmetode.
Denne ROS-pakke anvender leder-følger-metoden i den distribuerede formationskontrolmetode til at udføre multi-robot formation-drevet. En robot i formationen er udpeget som lederen, og andre robotter er udpeget som slaver til at følge lederen. Algoritmen bruger den førende robots bevægelsesbane til at indstille de koordinater, der skal spores af de følgende robotter med en bestemt retning og hastighed. Ved at korrigere positionsafvigelserne fra sporingskoordinaterne, vil følgerne i sidste ende reducere afvigelsen mellem følgeren og de forventede sporingskoordinater til nul for at nå målene for formationskørslen. På denne måde er algoritmen relativt mindre kompliceret.

Algoritmer til at undgå forhindringer

En almindelig algoritme til undgåelse af forhindringer er metoden med kunstigt potentialefelt. Robottens bevægelse i et fysisk miljø betragtes som en bevægelse i et virtuelt kunstigt kraftfelt. Den nærmeste forhindring identificeres af LiDAR. Forhindringen giver et frastødende kraftfelt til at generere frastødning til robotten, og målpunktet giver et tyngdefelt til at generere tyngdekraft til robotten. På denne måde styrer den robottens bevægelse under den kombinerede handling af frastødning og tiltrækning.
Denne ROS-pakke er en forbedring baseret på den kunstige potentielle feltmetode. For det første beregner dannelsesalgoritmen den lineære og vinkelhastighed af slavefølgeren. Derefter øger eller mindsker den lineær- og vinkelhastigheden i overensstemmelse med kravene til forhindringsundgåelse. Når afstanden mellem Slavefølgeren og forhindringen er tættere, er frastødningskraften af forhindringen til Slavefølgeren større. I mellemtiden er ændringen af den lineære hastighed og vinkelhastighedsvariationerne større. Når forhindringen er tættere på den forreste del af Slavefølgeren, bliver afvisningen af forhindringen til Slavefølgeren større (forreste frastødning er størst og sideafvisningen er den mindste). Som et resultat er variationerne af den lineære hastighed og vinkelhastigheden større. Gennem metoden med kunstigt potentialefelt forbedrer den en løsning, når en robot kunne holde op med at reagere foran en forhindring. Dette tjener formålet med bedre undgåelse af forhindringer.

OPSÆTNING AF MULTI-AGENT KOMMUNIKATION

Multi-agent kommunikation er et af de vigtigste trin for at fuldføre en multi-robot formation. Når de relative positioner af flere robotter er ukendte, er robotterne nødt til at dele hinandens informationer gennem kommunikation for at lette etableringen af forbindelser. ROS-distribueret arkitektur og netværkskommunikation er meget kraftfuld. Det er ikke kun praktisk til kommunikation mellem processer, men også til kommunikation mellem forskellige enheder. Gennem netværkskommunikation kan alle noder køre på enhver computer. De vigtigste opgaver såsom databehandling udføres på værtssiden. Slavemaskinerne er ansvarlige for at modtage miljødata indsamlet af forskellige sensorer. Værten her er manageren, der kører Master-noden i ROS. Den nuværende multi-agent kommunikationsramme er gennem en node manager og en parameter manager til at håndtere kommunikation mellem flere robotter.

Trinene til opsætning af multi-agent kommunikation

Konfigurer ROS Controls i det samme netværk
- Der er 2 måder at opsætte Master/Slave ROS Controls på under samme netværk.

Mulighed 1:

Master Hosten opretter en lokal wiﬁ ved at køre Master node manager. Generelt opretter en af robotterne, der er udpeget som master, dette wifi-netværk. Andre robotter eller virtuelle maskiner tilslutter sig dette wifi-netværk som slaver.

Mulighed 2:

Det lokale wiﬁ-netværk leveres af en tredjepartsrouter som et informationsrelæcenter. Alle robotter er forbundet til den samme router. Routeren kan også bruges uden internetforbindelse. Vælg en af robotterne som master og kør Master node manager. De andre robotter er udpeget som slaver og kører master node manager fra masteren.
Beslutningen om, hvilken mulighed du skal vælge, afhænger af dine projektkrav. Hvis antallet af robotter, der skal kommunikere, ikke er et stort antal, anbefales mulighed 1, da det sparer omkostninger og er nemt at sætte op. Når antallet af robotter er stort, anbefales mulighed 2. Begrænsningen af ROS-masterstyringens computerkraft og begrænset indbygget wifi-båndbredde kan nemt forårsage forsinkelser og netværksafbrydelser. En router kan nemt løse disse problemer. Bemærk venligst, at når du udfører multi-agent kommunikation, hvis den virtuelle maskine bruges som en ROS-slave, skal dens netværkstilstand indstilles til brotilstand.

Konfigurer Master/Slave miljøvariabler

Når alle ROS-masterne alle er i det samme netværk, skal miljøvariablerne for multi-agent-kommunikation indstilles. Denne miljøvariabel er konfigureret i .bashrc-filen i hovedbiblioteket. Kør kommandoen gedit ~/.bashrc for at starte den. Bemærk venligst, at både masterens og slavens .bashrc-filer i multiagentkommunikation skal konfigureres. Det, der skal ændres, er IP-adresserne i slutningen af filen. De to linjer i er ROS_MASTER_URI og ROS_HOSTNAME, som vist i figur 2-1-4. ROS_MASTER_URI og ROS_HOSTNAME for ROS-værten er begge lokale IP'er. ROS_MASTER_URI i ROS-slave .bashrc-filen skal ændres til værtens IP-adresse, mens ROS_HOSTNAME forbliver som en lokal IP-adresse.

ROS-multimaskinekommunikation er ikke begrænset af ROS-udgivelsesversionen. I processen med multimaskinekommunikation skal man være opmærksom på følgende:

Driften af ROS-slaveprogrammet afhænger af ROS-masterprogrammet for ROS-masterenheden. ROS-masterprogrammet skal startes først på masterenheden, før slaveprogrammet udføres på slaveenheden.
IP-adresserne på master- og slavemaskinerne i multimaskinekommunikation skal være i det samme netværk. Det betyder, at IP-adressen og undernetmasken er under samme netværk.
ROS_HOSTNAME i miljøkonﬁgurationsfilen .bashrc anbefales ikke at bruge localhost. Det anbefales at bruge en specifik IP-adresse.
I tilfælde af, at slave-IP-adressen ikke er indstillet korrekt, kan slaveenheden stadig få adgang til ROS-masteren, men kan ikke indtaste kontroloplysninger.
Hvis den virtuelle maskine deltager i multi-agent-kommunikationen, skal dens netværkstilstand indstilles til brotilstand. Statisk IP kan ikke vælges til netværksforbindelsen.
Multi-maskine kommunikation kan ikke view eller abonnere på emner af meddelelsesdatatype, der ikke findes lokalt.
Du kan bruge Little Turtle-simuleringsdemoen til at kontrollere, om kommunikationen mellem robotterne er vellykket:
- a. Løb fra mesteren
  - rescore #launch ROS-tjenester
  - rostrum turtles turtlesim_node #start skildpadder interface
- b. Løb fra slaven
  - genkør turtles turtle_teleop_key #start tastaturkontrolnode for skildpadder

Hvis du kan manipulere skildpaddens bevægelser fra tastaturet på slaven, betyder det, at master/slave-kommunikationen er blevet etableret med succes.

Automatisk Wiﬁ-forbindelse i ROS

Nedenstående procedurer forklarer, hvordan man konfigurerer robotten til automatisk at oprette forbindelse til værtsnetværket eller routerens netværk.

Automatisk opsætning af Wiﬁ-forbindelse til Jetson Nano

Tilslut Jetson Nano via VNC-fjernværktøjet eller direkte til computerskærmen. Klik på wiﬁ-ikonet i øverste højre hjørne og klik derefter på "Rediger forbindelser.."
Klik på knappen + i Netværksforbindelser:
Under vinduet "Vælg en forbindelsestype", klik på rullemenuen og klik på knappen "Opret...":

Klik på Wiﬁ-indstillingen i kontrolpanelet. Indtast Wiﬁ-navnet for at oprette forbindelse i felterne "Forbindelsesnavn" og SSID. Vælg "Klient" i rullemenuen "Tilstand", og vælg "wlan0" i rullemenuen "Enhed".
I Kontrolpanel skal du klikke på "Generelt" og markere "Opret automatisk forbindelse til dette netværk...". Indstil forbindelsesprioriteten til 1 i indstillingen "Forbindelsesprioritet for autoaktivering". Marker indstillingen "Alle brugere kan oprette forbindelse til dette netværk". Når indstillingen er sat til 0 i "Forbindelsesprioritet for automatisk aktivering" for andet wifi, betyder det, at dette er det foretrukne wifi-netværk i fortiden.
Klik på "Wi-Fi-sikkerhed" i Kontrolpanel. Vælg "WPA & WPA2 Personal" i "Security"-feltet. Indtast derefter Wiﬁ-adgangskoden i "Password"-feltet.

Note: Hvis robotten ikke automatisk kan oprette forbindelse til wiﬁ-netværket efter opstart, når wiﬁ-prioriteten er sat til 0, kan det skyldes et problem med et svagt wiﬁ-signal. For at undgå dette problem kan du vælge at slette alle de wiﬁ-indstillinger, der har været tilsluttet tidligere. Behold kun det wiﬁ-netværk, der er oprettet af værten eller routeren. Klik på "IPv4-indstillinger" i kontrolpanelet for netværksindstillinger. Vælg indstillingen "Manuel" i feltet "Metode". Klik derefter på "Tilføj", udfyld slavemaskinens IP-adresse i feltet "Adresse". Udfyld "24" i feltet "Netmaske". Udfyld IP-netværkssegmentet i "Gateway". Skift de sidste tre cifre i IP-netværkssegmentet til "1". Hovedformålet med dette trin er at rette IP-adressen. Når dette er gennemført for første gang, vil IP-adressen forblive uændret, når der efterfølgende oprettes forbindelse til samme WIFI.

Når alle indstillinger er konfigureret, skal du klikke på "gem" for at gemme indstillingerne. Når lagringen er lykkedes, vil robotten automatisk oprette forbindelse til værtens eller routerens netværk, når den tændes.

Note:

IP-adressen, der er indstillet her, skal være den samme som IP-adressen, der er angivet i .bashrc-filen i afsnit 2.1.
Masterens og hver slaves IP-adresse skal være unik.
Master- og slave-IP-adresserne skal være i samme netværkssegment.

Du skal vente på, at værten eller routeren sender WiFi-signalet, før slaverobotten kan tændes og automatisk oprette forbindelse til WiFi-netværket.
Efter indstillingen er konfigureret, hvis robotten ikke automatisk kan oprette forbindelse til WiFi, når den er tændt, skal du tilslutte og frakoble netværkskortet og prøve at oprette forbindelse igen.

Automatisk opsætning af Wiﬁ-forbindelse til Raspberry Pi

Proceduren for Raspberry Pi er den samme som Jetson Nano.

Automatisk opsætning af Wiﬁ-forbindelse til Jetson TX1

Opsætningen i Jetson TX1 er næsten den samme som i Jetson Nano med én undtagelse, Jetson TX1 skal vælge enheden af "wlan1" i "Device" i netværksindstillingernes kontrolpanel.

OPSÆTNING AF MULTI-AGENT SYNKRONISERING

I multi-agent dannelsesprojektet er multi-agent tidssynkroniseringsindstillingen et afgørende skridt. I processen med dannelsen vil der opstå mange problemer på grund af den asynkrone systemtid for hver robot. Multi-agent tidssynkronisering er opdelt i to situationer, nemlig den situation, hvor både master- og slave-robotterne er forbundet til netværket, og den situation, hvor begge er afbrudt fra netværket.

Vellykket master/slave netværksforbindelse

Når multi-agent-kommunikationen er konfigureret, vil de automatisk synkronisere netværkstiden, hvis master- og slavemaskinerne kan oprette forbindelse til netværket. I dette tilfælde kræves der ikke yderligere handlinger for at opnå tidssynkronisering.

Fejlfinding af netværksafbrydelser

Når multi-agent-kommunikationen er konfigureret, og hvis master- og slave-enhederne ikke kan oprette forbindelse til netværket, er det nødvendigt at synkronisere tiden manuelt. Vi bruger datokommandoen til at fuldføre tidsindstillingen.

Installer først terminatorværktøjet. Fra terminatorværktøjet skal du bruge vinduesopdelingsværktøjet til at placere master- og slavekontrolterminalerne i det samme terminalvindue (højreklik for at indstille et opdelt vindue, og log ind på master- og slavemaskinerne med ssh i forskellige vinduer) .

sudo apt-get install terminator # Download terminator for at opdele terminalvinduet

Klik på knappen øverst til venstre, vælg indstillingen [Udsend til alle]/[Udsend alle], og indtast følgende kommando. Brug derefter terminatorværktøjet til at indstille den samme tid for master og slave.

sudo dato -s “2022-01-30 15:15:00” # Manuel tidsopsætning

MULTI-AGENT ROS-PAKKE

ROS-pakkeintroduktion

Indstil slavenavn

I funktionspakken wheeltec_multi er det nødvendigt at indstille et unikt navn for hver slaverobot for at undgå fejl. F.eksample, nr. 1 for slave1 og nr. 2 for slave2 osv. Formålet med at angive forskellige navne er at gruppere kørende noder og skelne dem ved forskellige navnerum. F.eksample, radar-emnet for slave 1 er/slave1/scan, og LiDAR-knudepunktet for slave 1 er/slave1/laser.

Indstil slavekoordinater

wheeltec_multi-pakken kan implementere brugerdefinerede formationer. Når der kræves forskellige formationer, skal du blot ændre de ønskede koordinater for slaverobotterne. Slave_x og slave_y er x- og y-koordinaterne for slaven med masteren som det oprindelige referencepunkt. Forsiden af masteren er den positive retning af x-koordinaten, og venstre side er den positive retning af y-koordinaten. Efter at indstillingen er afsluttet, vil en TF koordinat slave1 blive udstedt som den forventede koordinat for slaven. Hvis der er en master og to slaver, kan følgende formation indstilles:

Horisontal formation: Du kan indstille koordinaterne for slaven til venstre til slave_x:0, slave_y: 0.8, og koordinaterne for slaven til højre til slave_x:0, slave_y:-0.8.
Kolonnedannelse: Koordinaterne for en slave kan indstilles til: slave_x:-0.8, slave_y:0, og koordinaterne for den anden slave kan indstilles til: slave_x:-1.8, slave_y:0.

Trekantet formation: Koordinaterne for den ene slave kan sættes til: slave_x:-0.8, slave_y: 0.8, og koordinaterne for den anden slave kan sættes til: slave_x:-0.8, slave_y:-0.8.

Andre formationer kan tilpasses efter behov.

Note:

Den anbefalede afstand mellem de to robotter er sat til 0.8, og det anbefales ikke at være lavere end 0.6. Afstanden mellem slaverne og masteren anbefales indstillet til under 2.0. Jo længere den er fra masteren, jo større er slavens lineære hastighed, når masteren drejer. På grund af begrænsningen af den maksimale hastighed vil slavens hastighed afvige, hvis den ikke opfylder kravene. Robotformationen bliver kaotisk.

Initialisering af slavepositionen

Slavens startposition er som standard på de forventede koordinater. Før du kører programmet, skal du blot placere slaverobotten tæt på dens forventede koordinater for at fuldføre initialiseringen. Denne funktion implementeres af pose_setter noden i filen med navnet turn_on_wheeltec_robot.launch i wheeltec_multi-pakken, som vist i figur 4-1-3.

Hvis brugeren ønsker at tilpasse slavens startposition, behøver han eller hun kun at indstille slave_x og slave_y værdierne som vist i figur 4-1-4 i wheeltec_slave.launch. Værdierne slave_x og slave_y vil blive videregivet til turn_on_wheeltec_robot.launch og tildelt pose_setter noden. Du skal blot placere robotten i en brugerdefineret position, før du kører programmet.

Positionskonfiguration

I en multi-agent formation er det første problem, der skal løses, placeringen af master og slave. Mesteren vil først konstruere et 2D-kort. Når du har oprettet og gemt kortet, skal du køre 2D-navigationspakken og bruge den adaptive Monte Carlo-positioneringsalgoritme (amcl-positionering) i 2D-navigationspakken til at konfigurere masterens positionering. Da masteren og slaverne er i samme netværk og deler den samme node manager, har masteren lanceret kortet fra 2D navigationspakken, alle slaverne kan bruge det samme kort under den samme node manager. Derfor behøver slaven ikke at oprette et kort. I wheeltec_slave.launch, kør Monte Carlo-positionering (amcl-positionering), slaverne kan konfigurere deres positioner ved at bruge kortet oprettet af mesteren.

Hvordan man skaber dannelse og fastholder dannelse

I processen med dannelsesbevægelse kan masterbevægelsen styres af Rviz, tastatur, fjernbetjening og andre metoder. Slaven beregner sin hastighed gennem slave_tf_listener-knuden for at kontrollere dens bevægelse og nå målet med formationen. Slave_tf_listener noden begrænser slavehastigheden for at undgå for høj hastighed ved nodeberegningen, hvilket vil forårsage en række påvirkninger. Den specifikke værdi kan ændres i wheeltec_slave.launch.

De relevante parametre for dannelsesalgoritmen er som følger:

Oplysninger om undgåelse af forhindringer

I en multi-agent-formation kan masteren bruge move_base-knuden til at fuldføre forhindringsforståelse. Initialiseringen af slaven bruger dog ikke move_base-knuden. På dette tidspunkt skal multi_avoidance-knuden kaldes i slaveprogrammet. Noden til undgåelse af forhindringer er som standard aktiveret i pakken. Om nødvendigt kan undgåelse indstilles til "falsk" for at deaktivere knudepunktet for undgåelse af forhindring.

Nogle relevante parametre for knudepunktet for undgåelse af forhindring er vist i nedenstående figur, hvor sikker_afstand er grænsen for sikker forhindring, og fare_afstand er grænsen for farlig afstand for forhindring. Når forhindringen er inden for sikker afstand og fareafstand, justerer slaven sin position for at undgå forhindringen. Når forhindringen er inden for fare, vil slaven køre væk fra forhindringen.

Driftsprocedure

Indtast udførelseskommando

Forberedelser før påbegyndelse af multi-agent dannelse:

Master og slave forbinder til det samme netværk og opsætter multi-agent kommunikation korrekt

Mesteren bygger et 2D-kort på forhånd og gemmer det
Masteren placeres ved kortets startpunkt, og slaven placeres nær initialiseringspositionen (standard slaveformationspositionen)
Efter at have logget ind på Jetson Nano/Raspberry Pi eksternt, skal du udføre tidssynkronisering.

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

Trin 1: Åbn et 2D-kort fra masteren.

roslaunch turn_on_wheeltec_robot navigation.launch

Trin 2: Kør dannelsesprogrammet fra alle slaverne.

roslaunch wheeltec_multi wheeltec_slave.launch

Trin 3: Åbn tastaturkontrolnoden fra masteren, eller brug joysticket til at fjernbetjene masterbevægelsen.

genstart wheeltec_robot_rc keyboard_teleop.launch

Trin 4: (Valgfrit) Observer robottens bevægelser fra Rviz.

rviz

Note:

Sørg for at fuldføre tidssynkroniseringen, før du udfører programmet.
Når man styrer masteren af en multi-agent formation, bør vinkelhastigheden ikke være for høj. Den anbefalede lineære hastighed er 0.2m/s, vinkelhastighedsgrad under 0.3rad/s. Når masteren laver et sving, jo længere slaven er fra masteren, desto større kræves den lineære hastighed. På grund af grænsen for den lineære hastighed og vinkelhastigheden i pakken, når slavebilen ikke kan nå den nødvendige hastighed, vil formationen være kaotisk. Samlet set kan den for høje lineære hastighed nemt beskadige robotten.

Når antallet af slaver er mere end én, er det på grund af ROS-værtens begrænsede trådløse båndbredde let at forårsage betydelige forsinkelser og afbrydelse af multi-agent-kommunikationen. Brug af en router kan løse dette problem godt.
TF-træet for multirobotformationen (2 slaver) er: rqt_tf_tree
Knudeforholdsdiagrammet for multirobotformationen (2 slaver) er: rqt_graph

Dokumenter/ressourcer

ROBOWORKS Robofleet MULTI-AGENT ALGORITHMER [pdfBrugermanual
Robofleet Multi Agent Algoritmer, Robofleet, Multi Agent Algoritmer, Agent Algoritmer, Algoritmer

Referencer

Brugermanual

ROBOWORKS Robofleet MULTI-AGENT ALGORITHMER

Specifikationer

Produktinformation

Ofte stillede spørgsmål