Симулятор обхода препятствий для мобильных роботов

Управление

Рабочая область включает перемещаемые препятствия, скорость робота, дальность датчиков, поле зрения, шум измерений и порог безопасной дистанции. Лучи датчиков и предсказуемая безопасная дистанция остаются видимыми. Режим шага показывает, какое именно наблюдение вызвало каждое решение руления.

Теория

Робот должен остановиться или повернуть прежде, чем его очищаемая область пересечётся с препятствием. Безопасная дистанция зависит от текущей скорости, задержки регулятора, тормозной способности, неопределённости измерения и физического радиуса робота, а не только от последнего показания расстояния.

Реактивные регуляторы, такие как потенциальные поля, превращают близкие препятствия в отталкивающие векторы, а цель — в притягивающий вектор. Они реагируют быстро, но могут попасть в ловушку локальных минимумов. Практический стек объединяет реактивную безопасность с глобальным или локальным планировщиком.

Алгоритм

1. Отбрасывайте устаревшие и физически невозможные отсчёты расстояния.
2. Преобразуйте действительные наблюдения в систему координат робота.
3. Увеличивайте каждое препятствие на радиус робота и запас безопасности.
4. Вычисляйте безопасную дистанцию до препятствия из скорости и оценённого замедления.
5. Останавливайтесь, когда передний коридор небезопасен; иначе рулите к наиболее свободному сектору, ориентированному на цель.
6. Ограничивайте ускорение и угловую скорость перед отправкой команд двигателям.

Исходный код

Сделайте решение в аварийной ситуации достаточно маленьким, чтобы его можно было исчерпывающе проверить:

def safe_velocity(target, ranges, stop_distance):
    front = [r for angle, r in ranges if abs(angle) < 0.35]
    if not front or min(front) <= stop_distance:
        return 0.0, choose_clear_turn(ranges)
    return limit_acceleration(target), steer_toward_clearance(ranges)

В настоящей системе сохраняйте время получения измерений и переходите в безопасное состояние с остановленными двигателями, когда необходимые данные становятся недоступными.

Допущения и отличия от реального оборудования

Мир здесь двумерный и показан сверху: лучи датчиков мгновенны, идеально тонки и никогда не перекрываются корпусом робота, а робот представляет собой диск, который может затормозить до нуля без инерции. На роботе Raspberry Pi ультразвуковые лучи расходятся на 15°, показания времени полёта зависят от поверхности и солнца, а безопасная дистанция до препятствия определяется реальной массой, моментом двигателя и задержкой цикла «восприятие — решение — действие» — всё это рассматривается в дорожной карте реактивной навигации. Симулятор также игнорирует дрожание цикла и просадку питания, поэтому рассматривайте кривую безопасной дистанции как форму, которую нужно усвоить, а не как число для копирования.

Схема соединений

Перед подачей сигнала эха 5 V на GPIO Raspberry Pi преобразуйте уровни. Питайте двигатели отдельно и соедините общие провода в намеренно выбранной общей точке.

Управляемые эксперименты

1. Выведите порог остановки вместо того, чтобы угадывать его

Установите низкую скорость и уменьшайте порог остановки, пока робот не начнёт задевать препятствия. Запишите значение. Теперь удвойте скорость и повторите.

Нужный порог не удваивается, потому что он является суммой члена, масштабируемого со скоростью, и члена, масштабируемого с её квадратом:

stop_distance = (v x t_latency) + (v^2 / (2 x a_brake)) + robot_radius + margin

Поэтому робот, который надёжно обходит препятствия со скоростью пешехода, начинает задевать их при ускорении, а исправление — порог, зависящий от скорости, а не одно большое фиксированное значение, делающее робот пугливым везде.

2. Добейтесь дрожания вокруг порога, затем исправьте его

Расположите робота так, чтобы он завис ровно на безопасной дистанции. С одним порогом он несколько раз в секунду переключается между движением и поворотом.

Теперь разделите их: останавливайтесь на 20 cm и не возобновляйте движение до 30 cm. Дрожание исчезает, потому что поведение становится гистерезисным. Этот зазор — гистерезис, и тот же приём устраняет почти все колебания вокруг порога в коде робота.

3. Намеренно загоняйте робота в ловушку

Постройте вогнутый угол — подкову — и позвольте роботу въехать внутрь. При детерминированном правиле «поворачивать в самую открытую сторону» он будет поворачивать, ехать и возвращаться туда же, где начал, бесконечно.

Это не ошибка, которую нужно исправлять. Именно так проявляется отсутствие карты, и это самый ясный пример пределов реактивной навигации. Смягчения — случайная составляющая поворота и детектор застревания, который переходит к более серьёзным действиям после нескольких неудачных попыток; настоящее исправление — память, то есть совершенно другой путь.

4. Сравните разрешение сканирования со временем сканирования

Увеличьте число углов сканирования и посмотрите, как две величины движутся в противоположных направлениях: решения о повороте становятся лучше, а робот дольше стоит на месте.

Сканирование — это слепой момент: робот остановлен и не продвигается. Обычный оптимальный диапазон — от трёх до пяти углов, а после него дополнительная информация редко оправдывает дополнительное время.

Что следует наблюдать

Переход к реальному оборудованию

Лучи симулятора мгновенны, без шума и бесконечно тонки. Настоящий ультразвуковой датчик не обладает ни одним из этих свойств, и именно различия составляют всю работу на реальном роботе:

Найдите здесь безопасную дистанцию до препятствия и правило направления, где ошибка ничего не стоит. Затем на реальном роботе добавьте медианный фильтр, задержку успокоения сервопривода и датчик касания — руководство по алгоритму обхода препятствий содержит код для каждого решения.