CHƯƠNG III: THỬ NGHIỆM TRÊN XE TALOS
I. Thuật toán lập kế hoạch và điều khiển
1.3. Bộ lập kế hoạch chuyển động
Bộ lập kế hoạch nhận mục tiêu từ bộ định hướng. Đầu ra của bộ lập kế hoạch được xem như là một con đường và một lệnh tốc độ được gửi đến bộ điều khiển ở mức độ thấp tại tần số10 Hz. Phương pháp tiếp cận được dựa trên RRT, quỹ đạo khả thi của cây kinodynamically[9] được xây dựng bằng cách lấy nhiều điểm ngẫu nhiên. Ý tưởng cơ bản là tạo ra một mẫu và chạy mô phỏng hệ thống điều khiển xe tiến về phía trước. Các quỹ đạo mô phỏng được kiểm tra với bản đồ khả năng lái và các mẫu được loại bỏ hoặc thêm vào cây dựa trên tính khả thi.
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE CHẠY TỰ ĐỘNG 52
1.3.1. Lập kế hoạch trên vòng lặp động lực học
Mở rộng đầu tiên là lấy mẫu đầu vào cho bộ điều khiển và chạy mô phỏng vòng lặp.
Phương pháp tiếp cận RRT lấy mẫu đầu vào điển hình cho chiếc xe. Tuy nhiên, nếu chiếc xe không ổn định, rất khó lấy mẫu ngẫu nhiên để xây dựng quỹ đạo ổn định. Hơn nữa, đầu vào cho chiếc xe phải thay đổi để đạt được hoạt động tổng thể, yêu cầu mẫu được thực hiện theo tỉ lệ rất cao hoặc một quá trình làm trơn tru tùy ý được sử dụng. Bằng cách kết thúc vòng lặp đầu tiên trên xe với bộ điều khiển ổn định và sau đó lấy mẫu đầu vào cho hệ thống điều khiển xe, cách tiếp cận dễ dàng xử lý các phương tiện có động thái không ổn định.
Hành vi tiếp theo của chiếc xe được dự đoán bằng cách sử dụng mô phỏng hướng tới.
Các mô phỏng bao gồm mô hình chiếc xe và thực hiện chính xác như bộ điều khiển thực hiện (xem mục 3.4). Vì bộ điều khiển theo dõi các tham chiếu, các lỗi dự đoán của vòng lặp tiếp cận này nhỏ hơn nhiều so với dự đoán vòng hở, nó chỉ sử dụng động lực học chiếc xe trong một mô phỏng về phía trước. Trong hình 3.6 cây dự đoán bao gồm đầu vào cho các bộ điều khiển (thiết lập các điểm kết nối đường) và quỹ đạo được dự đoán (bổ sung cài đặt đường cong).
Hình 3.6. Minh họa kế hoạch chuyển động. Mỗi lá của cây tượng trưng cho một vị trí dừng. Các điểm kiểm soát chuyển động được chuyển thành một con đường dự đoán. Con đường dự đoán được kiểm tra khả năng lái (đường cong).
Vòng lặp RRT có thêm một vài thuận lợi. Thứ nhất, mô phỏng về phía trước có thể dễ dàng kết hợp bất kỳ bộ điều khiển phi tuyến hoặc chiếc xe động lực phi tuyến nào. Thứ
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE CHẠY TỰ ĐỘNG 53
hai, đầu ra của bộ mô phỏng vòng lặp xây dựng tính khả thi năng động. Thứ ba, bởi vì bộ điều khiển theo dõi ở mức thấp nên có thể hội tụ vào hành vi vĩ mô bằng cách gửi cho bộ điều khiển một con đường thẳng đến mục tiêu hoặc một con đường theo làn đường trung tâm. Điều đó làm đơn giản đáng kể sự lan rộng của cây và phù hợp với thời gian lập kế hoạch thực tế.
Thuật toán 2: thuật toán lập kế hoạch dựa trên RRT 1. Repeat
2. Nhận tình trạng xe và môi trường hiện tại
3. Tình trạng lan truyền bằng cách giới hạn thời gian tính toán 4. Repeat
5. Lấy một mẫu đầu vào cho bộ điều khiển 6. Chọn một nút trên cây sử dụng chuẩn đoán 7. Lan truyền từ nút đã chọn đến mẫu
8. If con đường lan truyền khả thi với bản đồ khả năng lái then 9. Thêm nút nhánh trên con đường
10. Thêm mẫu và nút nhánh trên cây 11. For mỗi nút v mới được thêm do 12. Lan truyền đến mục tiêu
13. If con đường lan truyền khả thi với bản đồ khả năng lái then 14. Thêm con đường vào cây
15. Đặt chi phí con đường được lan truyền như ràng buộc trên của chi phí để đi tại v
16. End if 17. End for 18. End if
19. Until đạt đến thời gian giới hạn
20. Chọn quỹ đạo tốt nhất trên cây và kiểm tra tính khả thi với bản đồ khả năng lái mới nhất
21. If quỹ đạo tốt nhất không khả thi then
22. Xóa phần không khả thì từ cái cây và thực hiện lại bước 2 23. End if
24. Gửi quỹ đạo tốt nhất đến bộ điều khiển 25. Until chiếc xe đạt được mục tiêu
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE CHẠY TỰ ĐỘNG 54
1.3.2. Duy trì an toàn như một cài đặt bất biến
Đảm bảo an toàn cho chiếc xe trong một môi trường khắc nghiệt và không chắc chắn là tính năng quan trọng của hệ thống lập kế hoạch. Trong điều kiện lái xe bình thường, khi một chiếc xe đến một điểm dừng, nó có thể ở đó một khoảng thời gian không xác định mà vẫn an toàn. Sử dụng trạng thái dừng này như một trạng thái an toàn bất biến, RRT yêu cầu một vị trí dừng tại điểm cuối của tất cả các nhánh. Các hình tròn lớn trong hình hiển thị các nút dừng trong cây và mỗi mô phỏng kết thúc khi chiếc xe đến một điểm dừng. Sự tồn tại của các nút dừng đảm bảo rằng luôn luôn có một cách khả thi để đến một điểm dừng an toàn khi xe đang di chuyển. Nếu không có một nút dừng an toàn ở cuối con đường thì xe Talos sẽ không thực hiện nó.
1.3.3. Lấy mẫu lệch
(a) (b)
Hình 3.7. (a) Lấy mẫu lệch Gaussian. Trục x, y đơn vị mét. (b) Lần lượt lấy mẫu lệch cho ba điểm, vị trí xe Talos sau lượt quay đầu tiên của lần quay.
Một phần mở rộng khác từ thuật toán RRT là nó sử dụng môi trường theo cấu trúc vật lý và logic để lấy mẫu lệch. Các mẫu được lấy trong hai kích cỡ và chúng được sử dụng để làm mẫu đầu vào bộ điều khiển lái. Để lấy một mẫu (xsample,ysample), sử dụng phương trình sau:
, ,
,
Trong đó: và là các biến ngẫu nhiên của phân phối Gaussian, và là đường kính và chu vi có giá trị là 1-σ, và là đường song song và ( , ) là tâm của đám mây Gaussian. Hình 3.7 (a) cho thấy 100 mẫu và đường 1-σ, với các giá trị tham số sau:
. Samples ____ 1- line
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE CHẠY TỰ ĐỘNG 55
= 10, = π / 4, = 5, = π / 3, và ( , ) = (0, 0). Những giá trị lệch khác nhau được sử dụng dựa trên vị trí xe (một làn đường, một giao lộ hoặc một bãi đậu xe). Các thông tin tình huống từ bộ định hướng (như giới hạn tốc độ, cho phép vượt qua và cho phép quay đầu) cũng được sử dụng để tạo ra mẫu lệch khác nhau.
Hình 3.7 (b) cho thấy các mẫu được tạo ra trong khi thiết kế một thao tác quay đầu.
Để thực hiện N điểm quay đầu tổng quát trong môi trường thực tế, việc lấy mẫu bao gồm cả phía trước và phía sau. Một mẫu hình nón được tạo ra ở phía trước bên trái của xe để bắt đầu quay (nó xuất hiện ở phía trên bên trái của con đường được hiển thị). Một tập hợp các mẫu nghịch đảo cũng được tạo ra, xuất hiện ở bên phải của đường hiển thị. Những mẫu này sẽ được sử dụng sau khi thực hiện lượt quay đầu tiên về phía trước. Sau đó, một tập các mẫu khác được tạo ra phía trước bên trái vị trí chiếc xe hiện tại (nó xuất hiện ở phía dưới bên trái của con đường hiển thị), để sử dụng khi hoàn thành vòng quay. Ví dụ, các giá trị tham số được sử dụng cho một trong ba cài đặt xác định thao tác quay đầu, tương ứng là: = 8, = π/10, = 3, và = 4π / 9; = 10, = π/10, = 5, và
=-π / 4 và = 12, = π/10, = 7, và = π. Mẫu cho lượt đầu tiên của thao tác quay đầu được định vị tương đối so với xe. Mẫu cho mỗi lượt tiếp theo trong thao tác quay đầu được vẽ nhưng vẫn tôn trọng vị trí mẫu trước.
Việc sử dụng các cấu trúc tình huống hoặc môi trường có xu hướng tăng đáng kể xác suất tạo ra quỹ đạo khả thi, làm cho RRT phù hợp với thời gian ứng dụng thực tế. Nhóm nghiên cứu MIT đã sử dụng một kế hoạch duy nhất cho toàn bộ cuộc đua, cho thấy tính linh hoạt và khả năng mở rộng của thuật toán lập kế hoạch này.