A Global Trajectory Planner for Mobile Robots

Abstract

Bewegungsplanung für mobile Roboter besteht aus den drei Teilen Zielauswahl, globale Planung und lokale Planung. Die Zielauswahl bestimmt den Punkt den der Roboter ansteuern soll. Die globale Planung erzeugt dann einen Pfad der den Roboter von seiner aktuellen Position zum Zielpunkt leitet. Diesen Pfad übernimmt die lokale Planung und erzeugt Kommandos für die Antriebe um den Roboter zu bewegen. Diese Arbeit präsentiert einen globalen Planer für mobile Roboter mit Funktionen die traditionelle globale Planer nicht besitzen. Dadurch ist der neue Planer imstande das dynamische Fahrverhalten des Gefährtes in seine Suche miteinzubeziehen und dadurch einen besseren Pfad für den lokalen Planer zu erzeugen. Globale Planer am Stand der Technik verwenden zweidimensionale Karten der Umgebung und suchen darin nach einem kollisionsfreien Pfad um bekannte Hindernisse. Befindet sicher der Roboter allerdings in Bewegung, so kann er nicht mehr nur durch 2D Koordinaten beschrieben werden: Sein Zustand besteht dann aus seinen Koordinaten und der Orientierung, und seiner Vorwärts- und Rotationsgeschwindigkeit. Das resultiert in fünf Parametern um den sich bewegenden Roboter zu beschreiben, fünf Parameter mit denen sich der lokale Planer beschäftigen muss. Diese Diskrepanz zwischen den Parameterräumen von globalem und lokalem Planer kann dazu führen, dass der globale Planer Pfade erzeugt, die für den realen Roboter schwer nachzufahren sind. Dies passiert, wenn der globale Planer, in Unkenntnis der physikalischen Grenzen der Roboters, einen Pfad berechnet dessen Abfahren die maximalen Beschleunigungen des Gefährtes überschreiten würden. Durch Zusammenführen dieser zwei Arbeitsbereiche von globalen und lokalen Planern in einem neuen globalen Planer kann dieser die physikalischen Eigenschaften des Roboters berücksichtigen. Im Speziellen wird ein globaler Planer für einen Roboter mit Differentialantrieb implementiert der mit den Navigationsstack von ROS2 kompatibel ist. Details dieser Implementierung werden präsentiert und mit bestehenden Planern in Simulationen verglichen.

Motion planning for an autonomous robot consists of the three parts routing, global planning, and local planning. Routing establishes the target position the robot shall navigate to. Then global planning creates a path that guides the robot from it’s current position to the goal. After that is done, the local planning takes this path and computes control values for the robot’s locomotion. This work presents a global planner for mobile robots that deals with challenges that are out of the scope of what traditional global planners usually support. By doing this, the new planner will be able to incorporate the vehicles dynamics into it’s search and produce better paths for the local planner. State of the art global planners use 2D maps of the environment as an input and search for a collision-free path around know obstacles in the 2D space. However, when the robot is in motion, it can no longer be described only by 2D X and Y coordinates. When moving, the robot’s state consists of more: It’s coordinates and orientation, and it’s current linear and angular velocities. This results in five parameters to describe the moving robot, and is what the local planner is dealing with. This mismatch between the parameters spaces the global and the local planner work in can result in global paths that are problematic for the robot to follow. This happens when the global planner, not being aware of the robot’s limits, creates a path that would exceed the vehicle’s maximum accelerations. By bridging the two areas of global and local planning with a new global planner, the global planner can take the vehicle’s physical limits into account. More specifically, a global planner for robots with a differential drive shall be implemented that fits into the navigation stack of the ROS2 framework. Once created, it’s implementation will be presented and a comparison to existing planners will be done in simulation.