datetime:2025/04/24 11:47

author:nzb

混合规划（Hybrid Planning）

MoveIt的运动规划遵循“感知-规划-执行”（Sense-Plan-Act）流程：

1. 感知（Sense）：获取环境与机器人状态信息。
2. 规划（Plan）：通过规划器计算运动轨迹。
3. 执行（Act）：通过轨迹控制器一次性执行规划结果。

该方案适用于静态已知环境的全局运动规划，但在动态或不确定场景（如给人递水、在黑板上写字）中表现不足。例如：

• 环境动态变化（如移动障碍物）。
• 任务本身存在不确定性（如粉笔书写时需实时调整压力，且粉笔长度逐渐缩短）。

什么是混合规划？

混合规划是一种结合异构规划器的运动规划方法，通过全局与局部规划器的协同工作提升鲁棒性和实时性。该理念在导航领域（如navigation2）已广泛应用。

MoveIt的混合规划架构包含两个核心组件：

1. 全局规划器（Global Planner）

   • 任务：解决全局运动规划问题（类似传统“Sense-Plan-Act”中的规划器）。
   • 特性：
     • 完备性：保证能找到解（但计算耗时较长）。
     • 非实时安全：不保证在截止时间内完成。
     • 输出：生成初始解或迭代优化解。

2. 局部规划器（Local Planner）

   • 任务：在执行过程中持续生成机器人指令，跟随全局轨迹并处理局部问题。
   • 特性：
     • 实时性：快速响应传感器反馈，通常需满足实时安全（Real-time-safe）。
     • 确定性：避免运动抖动或不稳定。
     • 功能：
       • 融合或调整连续的全局参考轨迹。
       • 动态避障（跟随全局路径时避开近距离碰撞）。
       • 适应局部约束（如根据表面不平度调整力控、基于视觉反馈修正工具位姿）。
       • 局部轨迹优化与时间参数化（计算效率更高）。

1. 全局与局部规划器的协作逻辑
   • 依赖关系：局部规划器基于全局参考轨迹工作，避免陷入局部极小值。
   • 异常处理：若局部规划器无法解决约束（如陷入局部极小），可触发全局重新规划。
   • 事件驱动：支持自定义事件逻辑，适应不同应用场景和规划器类型。

规划器对比

混合规划可用于多种使用情况。大多数应用可分为以下三种情况。

• 在线运动规划： 全局规划器创建初始全局解决方案，并不断对其进行优化。与此同时，局部规划器执行参考轨迹，并将更新的轨迹段融合到其中。
• 反应式运动： 全局规划器用于修复失效的解决方案（重新规划），而本地规划器则在碰撞前减速或停止
• 自适应运动： 本地规划器用于调整全局解决方案，以适应动态条件，例如保持工具与不平表面的稳定接触

混合规划架构

下图描述了构成混合规划架构的基本插件类型和 ROS 接口。

该架构由三个ROS组件节点构成：

混合规划管理器 (Hybrid Planning Manager)

• 提供用于混合规划请求的ROS动作接口
• 运行规划逻辑并协调各规划器

全局规划器 (Global Planner)

• 解决全局规划问题并发布解决方案轨迹
• 生成全局参考轨迹

局部规划器 (Local Planner)

• 处理传入的全局轨迹更新
• 基于机器人状态、环境信息和参考轨迹解决局部规划问题
• 向机器人驱动器发送位置/速度控制指令

架构特点：

1. 通用性与可定制性
   组件间仅通过ROS 2消息接口交互，可轻松替换具体实现

2. 插件化设计
   接口设计最小化，最大限度抽象算法实现细节，开发者可专注核心算法开发

3. 高复用性
   相同组件可适配不同硬件配置或规划场景

混合规划管理器

该组件是架构的“大脑”，其主要功能是处理HybridPlanner动作请求，并基于规划逻辑插件协调运动规划与执行过程。规划逻辑通过PlanningLogic插件实现，采用事件驱动设计。事件由字符串标识符定义，可能触发针对全局或局部规划器的动作调用或取消。下图展示了一个简单规划逻辑的事件日志示例：

事件触发机制由Hybrid Planning动作请求以及全局和局部规划器的动作反馈消息触发。在本示例中，Hybrid Planning Manager在接收到混合规划请求后启动全局规划器。当全局轨迹生成后，启动局部规划器；局部规划器完成后，Hybrid Planning Manager返回混合规划响应。

自定义规划逻辑通过自定义Planning Logic插件，可以将通用事件映射到架构提供的可用动作，例如“启动全局规划”、“停止轨迹执行”或“切换到局部规划器约束x”。这使得运动规划行为具有高度的可定制性和适应性。

全局规划器

全局规划器是该架构中最简单的组件。它提供了一个动作服务器来处理全局规划器请求。这些请求包括常见的 MotionPlanRequests，由全局规划器插件处理。默认情况下，这只是 MoveIt 的规划管道，但从技术上讲，任何类型的规划器，甚至 MTC 都可以在这里使用。规划结果通过动作反馈进行报告，解决方案轨迹将发布到局部规划器以供进一步处理。

局部规划器

局部规划器运行一个动作服务器，用于处理来自混合规划管理器的请求。该动作用于启动和停止执行，并可配置运行时参数，如约束条件或求解器类型。

局部规划器的实现基于两个插件：

1. 轨迹操作器 (Trajectory Operator)

   • 维护全局参考轨迹
   • 处理来自全局规划器的轨迹更新
   • 监控当前机器人状态

2. 局部约束求解器 (Local Constraint Solver)

   • 实现迭代求解算法，基于参考轨迹和局部约束生成机器人控制指令
   • 可能包含动态处理传感器输入或事件更新的接口

局部规划器的工作流程：

1. 每次迭代中，局部规划器请求当前规划场景，并将当前机器人状态与参考轨迹匹配。
2. 如果目标已到达，局部规划动作成功完成。
3. 否则，基于当前机器人状态识别局部规划问题并求解。
4. 最终，将生成的控制指令发布到机器人控制器。

混合规划器的工作原理

混合规划器的运行时行为可以通过绘制工作流图来理解，该图展示了不同组件的通信通道和事件。

成功轨迹执行的工作流：

1. 混合规划请求触发混合规划管理器。
2. 混合规划管理器调用全局规划器。
3. 全局规划器计算并发布轨迹，轨迹被混合规划管理器和局部规划器接收。
4. 局部规划器处理新轨迹，但仅在混合规划管理器调用后开始执行。
5. 局部规划器逐步执行参考轨迹，到达最终状态后返回动作响应。
6. 混合规划管理器返回成功的混合规划响应。

复杂场景：动态避障与重规划

1. 初始全局轨迹计算后，碰撞物体发生变化，局部规划器检测到即将发生的碰撞并暂停执行。
2. 局部规划器重新调用全局规划器以生成新的无碰撞轨迹。
3. 在全局规划器计算新轨迹期间，局部规划器保持机器人当前位置以避免碰撞。
4. 全局规划器发布新轨迹后，局部规划器的轨迹操作器插件将更新融入参考轨迹。
5. 局部规划器继续执行更新后的参考轨迹，绕过碰撞物体。

混合规划示例教程

如果您想在应用中使用混合规划或进行实验，请查看混合规划示例教程。