Tartalom

Gyakorlat
Források / Sources

Gyakorlat

A gyakorlat első részében egy példa első illetve másodrendű rendszert fogunk használni, erre fogunk PID szabályzót alkalmazni, majd hangolni. A gyakorlat második részében egy szimulált trajektóriakövető robot / jármű működését nézzük át és hangoljuk.

1. feladat: Trajektóriakövetés szimulációval
2. feladat: Saját fejlesztésű szabályzó és jármű modell
3. feladat: PID hangolás

`1. feladat`: Trajektóriakövetés szimulációval

github.com/jkk-research/sim_wayp_plan_tools

Követelmények

A gyakorlat hibamentes lefutásához a következő programok telepítése szükséges:

ROS 2 Humble: docs.ros.org/en/humble/Installation.html
Gazebo Fortress: gazebosim.org/docs/fortress/install_ubuntu, Több információ az integrálásról: gazebosim.org/docs/fortress/ros2_integration
ros-gz-bridge Egy parancsal installálható: sudo apt install ros-humble-ros-gz-bridge
Ellenőrizük, hogy a colcon_cd megfelelően van telepítve. A csv fájlok a colcon_cd-vel töltődnek be.

Package-ek és build

Az alapértelmezett workspace a következő legyen:~/ros2_ws/.

Klónozuk le a package-eket

cd ~/ros2_ws/src

git clone https://github.com/jkk-research/wayp_plan_tools

git clone https://github.com/jkk-research/sim_wayp_plan_tools

ROS 2 -es package-ek buildelése

cd ~/ros2_ws

colcon build --packages-select wayp_plan_tools sim_wayp_plan_tools

`wayp_plan_tools` használata szimulátorként

1. A gazebo indítása

ign gazebo -v 4 -r ackermann_steering.sdf

2. A Gazebo bridge indítása

Ha esetleg nem lenne telepítve a bridge, a következő parancsok segítenek:

sudo apt update

sudo apt install ros-humble-ros-gz -y

Tanteremben pedig:

cd /mnt/kozos/script

./gz_bridge.sh

Ne felejtsünk el source-olni az ROS-es parancsok előtt.

source ~/ros2_ws/install/local_setup.bash

ros2 launch sim_wayp_plan_tools gazebo_bridge.launch.py

Ez a launch fájl a következő node-okat indítja el egyben:

ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge /world/ackermann_steering/pose/info@geometry_msgs/msg/PoseArray[ignition.msgs.Pose_V

ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge /model/vehicle_blue/cmd_vel@geometry_msgs/msg/Twist]ignition.msgs.Twist

ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge /model/vehicle_blue/odometry@nav_msgs/msg/Odometry[ignition.msgs.Odometry --ros-args -r /model/vehicle_blue/odometry:=/odom

Több információ a bridge-ről: github.com/gazebosim/ros_gz/blob/ros2/ros_gz_bridge/README.md

Ez a launch a PoseArray-ből egy /tf-et is készít a pose_arr_to_tf.

Opcionális: A gazebo-ban lévő robot irányítása billentyűzettel:

ros2 run teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard --ros-args -r /cmd_vel:=/model/vehicle_blue/cmd_vel

3. Waypointok betöltése

Megjegyzés: A waypointok egy ponthalmaz, amely az útvonal pozíció, orientáció és sebesség adatait tartalmazza diszkrét pontokra osztva. Ezeket az adatokat jellemzően úgy nyerjük ki hogy az útunk során ROS-ben rögzítjük a gps-től vagy az odometriától az x,y esetleg z koordinátákat, az aktuálishoz képest a következő pontra mutató orientációt és az éppen aktuális sebesség adatot. Végül az imént felsoroltakat csv fájlokban rögzítjük.

Használjuk a ROS 2-es workspacet file_dir-ként:

ros2 run wayp_plan_tools waypoint_loader --ros-args -p file_name:=sim_waypoints1.csv -p file_dir:=$HOME/ros2_ws/src/sim_wayp_plan_tools/csv -r __ns:=/sim1

Vagy az alapparaméterekel:

ros2 launch sim_wayp_plan_tools waypoint_loader.launch.py

4. Waypoint goal pose-ként

Ahogy az elméleti rész 4. fejezetben az ábrákon látható, minden szabályozási algoritmushoz tartozik egy vagy több goal pose amire az éppen működő szabálzó szabályoz.

ros2 run wayp_plan_tools waypoint_to_target --ros-args -p lookahead_min:=2.5 -p lookahead_max:=4.5 -p mps_alpha:=1.5 -p mps_beta:=3.5 -p waypoint_topic:=waypointarray -p tf_frame_id:=base_link -p tf_child_frame_id:=map -r __ns:=/sim1

Vagy az alapparaméterekel:

ros2 launch sim_wayp_plan_tools waypoint_to_target.launch.py

5. A szabályzás indítása:

Több lehetőség van:

single_goal_pursuit: Pure pursuit (for vehicles / robots), a simple cross-track error method
multiple_goal_pursuit: Multiple goal pursuit for vehicles / robots an implementation of our paper
stanley_control: Stanley controller, a heading error + cross-track error method
follow_the_carrot: Follow-the-carrot, the simplest controller

Egy példa a pure pursuit-ra :

ros2 run wayp_plan_tools single_goal_pursuit --ros-args -p cmd_topic:=/model/vehicle_blue/cmd_vel -p wheelbase:=1.0 -p waypoint_topic:=targetpoints -r __ns:=/sim1

Vagy az alapparaméterekel:

ros2 launch sim_wayp_plan_tools single_goal_pursuit.launch.py

6. Az eredmények vizualizálása `RViz2`-ben:

ros2 launch sim_wayp_plan_tools rviz1.launch.py

Vagy futtasunk mindent együtt egyetlen parancsal:

After ign gazebo -v 4 -r ackermann_steering.sdf (terminal 1) and source ~/ros2_ws/install/local_setup.bash (terminal 2), run this command (also in terminal 2):

ros2 launch sim_wayp_plan_tools all_in_once.launch.py

Hibaelhárítás

A ign gazebo server leállítása:

ps aux | grep ign

ab  12345 49.9  1.2 2412624 101608 ?      Sl   08:26  27:20 ign gazebo server
ab  12346  518  6.6 10583664 528352 ?     Sl   08:26 283:45 ign gazebo gui
ab  12347  0.0  0.0   9396  2400 pts/2    S+   09:21   0:00 grep --color=auto ign

Ha azonosítva van a PID a folyamat leállításához használd a kill parancsot. Például a gazebo szerver leállításához:

kill 12345

`2. feladat`: Saját fejlesztésű szabályzó és jármű modell

Ebben a feladatban elkészítjük az elméleten bemutatott sebesség szabályzót, és az ahhoz kapcsolódó egyszerű járműmodellt.

Ha ezt eddig nem tettük meg, frissítsük az arj_packages repository-t:

git pull

Navigáljunk a workspace src mappájában a repo gyökérmappájába:

cd ~ros2_ws/src/arj_packages

Vizsgáljuk meg a repository tartalmát:

dir

Látjuk, hogy megjelent egy speed_control_loop nevű almappa. Ez a mappa tartalmazza a szabályzáshoz használt járműmodellt és a szabályzót. Nyissuk meg a forráskódot VS Code segítségével.

A mappa tartalmazza a szokásos package xml-t és a CMakeList-et, továbbá két cpp forrásfájlt. A vehicle_model.cpp értelemszerűen a járműmodellt, a speed_controller.cpp a szabályzót tartalmazza. Vizsgáljuk először a jármű modell forráskódját!

Járműmodell

class VehicleModel : public rclcpp::Node
{
public:
    VehicleModel() : Node("vehicle_model")
    {
        timer_ = this->create_wall_timer(std::chrono::milliseconds(200), std::bind(&VehicleModel::loop, this));  
        state_pub_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::Float32MultiArray>("/vehicle/state", 10);
        cmd_sub_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::Float32>("/vehicle/propulsion", 10,  std::bind(&VehicleModel::propulsion_callback, this, std::placeholders::_1));
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "vehicle_model has been started");
    }

A szokásos #include-ok és névdefiníciók után a járműmodell osztály konstruktora látható. A node neve “vehicle_model”. Egy topic-ra iratkozunk fel, a /vehicle/propulsion nevűre, amely a nevéből is adódódan a járműre ható hajtóerőt adja meg. Ezen kívül hirdetjük a /vehicle/state nevű topicot, mely megadja a jármű mozgásállapotát.

Ezt követően definiálunk néhány változót.

Először egy lokális változót, melyben a bemeneti erőt tároljuk el.
Ezt követi egy tömb, mely tartalmazni fogja a jármű sebességét és gyorsulását, a két állapotváltozót, melyekkel a jármű állapotát leírjuk.
Definiálunk egy Fload nevű változót, amelyben megadhatjuk, milyen extra terhelések hassanak a járműre.
Végül definiálunk néhány nem változtatható paramétert, pl. a jármű súlyát, homlokfelületének nagyságát…stb.

private:
    // input command
    float Fprop {0.0f};

    // vehicle state array
    std::vector<float> state; //speed, acceleration
    float vx{0.0f};
    float ax{0.0f};

    // load
    float Fload{0.0f};

    // params
    float m {1350.0}; // kg
    float A {1.5f}; // m^2
    float rho {1.0f}; // kg/m^3
    float c {0.33f}; // aerodynamic factor
    float b {0.1f}; // rolling friction, viscosous

A topic callback függvény kizárólag a bejövő adatot másolja a lokális változónkba.

void propulsion_callback(const std_msgs::msg::Float32 input_msg)
{
    Fprop = input_msg.data;
}

Végezetül a loop() függvény, melyben először számítjuk az ellenállási erőket (légellenállás és viszkózus súrlódás), majd számítjuk az eredő erőt és ebből a jármű gyorsulását. A jármű gyorsulását integrálva kapjuk a jármű sebességét.

void loop()
{
    // calculate new state based on load, prop force, mass and aerodynamic drag
    float Faero = 0.5*A*rho*c*pow(vx,2);
    float Ffric = b*vx;
    ax = (Fprop - Ffric - Fload - Faero)/m;
    vx = std::max(0.0f, vx + ax*0.1f); // 0.1s is the time step of the model

    // Publish state
    state.clear();
    std_msgs::msg::Float32MultiArray state_msg;
    state.push_back(vx); // m/s
    state.push_back(ax); // m/s^2

    state_msg.data = state;
    state_pub_->publish(state_msg);
}

Szabályzó

A speed_control.cpp-ben a jármű sebességének PID szabályzását láthatjuk. A node neve “speed_control”, feliratkozik a /vehicle/state topicra, melyet a jármű modell hirdet. Ezen kívül hirdetjük a /vehicle/propulsion command topicot, egyúttal feliratkozunk a /vehicle/cmd célsebességet megadó topicra. A szabályzó lényege, hogy a user által megadott sebességet szabályozza úgy, hogy előállítja a járműhajtás számára a célerőt. A modell állapotától függően növeljük vagy csökkentjük a célerőt.

class SpeedControl : public rclcpp::Node
{
public:
    SpeedControl() : Node("speed_control")
    {
        timer_ = this->create_wall_timer(std::chrono::milliseconds(200), std::bind(&SpeedControl::loop, this));  

        cmd_pub_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::Float32>("/vehicle/propulsion", 10);
        state_sub_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::Float32MultiArray>("/vehicle/state", 10, std::bind(&SpeedControl::state_callback, this, std::placeholders::_1));
        cmd_sub_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::Float32>("/vehicle/cmd", 10, std::bind(&SpeedControl::cmd_callback, this, std::placeholders::_1));

        this->declare_parameter("/control/P", 100.0f);
        this->declare_parameter("/control/I", 5.0f);
        this->declare_parameter("/control/D", 10.0f);

        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "speed_control has been started");
    }

A szabályzást a loop() függvényben láthatjuk. A P, I és D paraméterek ROS paraméterként állíthatók. A hajtó erő 3 tényezőből tevődik össze: a derivatív tagból (Fprop_D), az arányos tagból (Fprop_P) és az integrált tagból (Fprop_I). Ez egy párhuzamos PID struktúra, tehát a három tag összege adja ki a célerőt.

void loop()
    {
        P = (float)this->get_parameter("/control/P").as_double();
        I = (float)this->get_parameter("/control/I").as_double();
        D = (float)this->get_parameter("/control/D").as_double();
        // calculate new state based on load, prop force, mass and aerodynamic drag
        float Fprop_D = D*((vSet-vx)-error)/0.1;

        float error = vSet-vx;
        float Fprop_P = P*error;
        float Fprop_I = I*integrated_error;

        Fprop = Fprop_P+Fprop_I+Fprop_D;

        Fprop = std::min(std::max(-Fprop_max, Fprop), Fprop_max);

        // Publish cmd
        std_msgs::msg::Float32 cmd_msg;
        cmd_msg.data = Fprop;

        cmd_pub_->publish(cmd_msg);

        integrated_error+= error*0.1f;
    }

Teszt

A teszthez először buildeljük a speed_control_loop packaget!

colcon build --packages-select speed_control_loop

Egy másik terminálban, source-olás után indítsuk el először a vehicle_model node-ot, majd a speed_control node-ot! Ezt megtehetjük egyszerűen az előre elkészített run_all.launch.py launch fájl segítségével is!

cd ~/ros2_ws/src/arj_packages/speed_control_loop

ros2 launch launch/run_all.launch.py

Nyissuk meg a Foxglove studiot. És kapcsolódjunk a local host-hoz. Ahhoz, hogy a kapcsolat létrejöjjön, indítsuk el a megfelelő bridge-et! Tegyük ezt egy újabb terminálból!

cd ~/ros2_ws/

ros2 launch foxglove_bridge foxglove_bridge_launch.xml

Adjunk hozzá 3 plot panelt, majd válasszuk ki a képen látható topicokat. Mivel még nem határoztuk meg a célsebességet, így az alapértéken zérus. A jármű gyakorlatilag áll, a szabályzó kimenete is zérus.

Hirdessünk kézzel egy topicot, amely megadja a kívánt sebességet (pl. tempomat esetén a kormányon beállított célsebesség)!

ros2 topic pub /vehicle/cmd std_msgs/msg/Float32 "data: 30.0"

Mit látunk? A szabályzó egy ideig a megengedett legnagyobb gyorsulással (kb. 9 m/s^2-el) gyorsítja a járművet, amíg az el nem éri a kívánt 30 m/s-os sebességet. További sebességekkel, illetve paraméter beállításokkal kísérletezhetünk.

Például

rosparam set /speed_control /control/I 200.0

esetén a sebesség felfutása kevésbé lesz egyenletes, továbbá túllendülés is megfigyelhető.

`3. feladat`: PID hangolás

Videó

A videóhoz hasonló módon szeretnénk szemléltetni a szabályozás kérdéskörét, azonban mi Plotjuggler helyett Foxglove Studio-t használunk.

A következő leírás azzal a feltételezéssel él, hogy a ROS 2 workspace a ~/ros2_ws/ helyen található.

`Terminal 1` clone

Klónozzuk a repositoryt:

cd ~/ros2_ws/src

git clone https://github.com/dottantgal/ros2_pid_library

`Terminal 1` build

Lépjünk vissza a workspace gyökerébe és build:

cd ~/ros2_ws

colcon build --packages-select use_library pid_library example_system

`Terminal 2` run

Új terminált nyissunk és futtassuk a következő parancsokat:

source ~/ros2_ws/install/local_setup.bash && source ~/ros2_ws/install/setup.bash

ros2 launch example_system example_sys_launch.py

`Terminal 3` set point

ros2 topic pub -r 1  /set_point_topic std_msgs/msg/Float32 "data: 0.0"

ros2 topic pub -r 1  /set_point_topic std_msgs/msg/Float32 "data: 1.0"

ros2 topic pub -r 1  /set_point_topic std_msgs/msg/Float32 "data: 1.4"

ros2 topic pub -r 1  /set_point_topic std_msgs/msg/Float32 "data: 0.6"

`Terminal 4` foxglove

Ha esetleg eddig nem lett volna telepítve:

sudo apt install ros-humble-foxglove-bridge

Maga bridge így indítható:

source ~/ros2_ws/install/local_setup.bash && source ~/ros2_ws/install/setup.bash

ros2 launch foxglove_bridge foxglove_bridge_launch.xml

Ezután Foxglove Studió segítségével ws://localhost:8765 címen elérhető minden adat.

VS code

Szerkesszük a example_sys_launch.py fájlt, majd colcon build (terminal 1) source és futtatás.

code ~/ros2_ws/src/ros2_pid_library/

Futtassuk és figyeljük meg az eredményeket a beavatkozó jel (control_value) enyhén más jelleget mutat:

Források / Sources

github.com/dottantgal/ros2_pid_library - MIT license

Gyakorlat

1. feladat: Trajektóriakövetés szimulációval

Követelmények

Package-ek és build

Klónozuk le a package-eket

ROS 2 -es package-ek buildelése

wayp_plan_tools használata szimulátorként

1. A gazebo indítása

2. A Gazebo bridge indítása

Opcionális: A gazebo-ban lévő robot irányítása billentyűzettel:

3. Waypointok betöltése

4. Waypoint goal pose-ként

5. A szabályzás indítása:

6. Az eredmények vizualizálása RViz2-ben:

Hibaelhárítás

2. feladat: Saját fejlesztésű szabályzó és jármű modell

Járműmodell

Szabályzó

Teszt

3. feladat: PID hangolás

Videó

Terminal 1 clone

Terminal 1 build

Terminal 2 run

Terminal 3 set point

Terminal 4 foxglove

VS code

Források / Sources

`1. feladat`: Trajektóriakövetés szimulációval

`wayp_plan_tools` használata szimulátorként

6. Az eredmények vizualizálása `RViz2`-ben:

`2. feladat`: Saját fejlesztésű szabályzó és jármű modell

`3. feladat`: PID hangolás

`Terminal 1` clone

`Terminal 1` build

`Terminal 2` run

`Terminal 3` set point

`Terminal 4` foxglove