Underwater Multi-Robot Simulation and Motion Planning in Angler

📄 arXiv: 2506.06612v1 📥 PDF

作者: Akshaya Agrawal, Evan Palmer, Zachary Kingston, Geoffrey A. Hollinger

分类: cs.RO

发布日期: 2025-06-07

备注: Accepted for OCEANS 2025 Brest

期刊: OCEANS 2025 Brest, pp. 1-6, 2025

DOI: 10.1109/OCEANS58557.2025.11104649

💡 一句话要点

扩展Angler框架，实现水下多机器人仿真与运动规划

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 水下机器人 多机器人系统 运动规划 仿真 Angler ROS 2 Gazebo

📋 核心要点

  1. 水下多机器人系统开发成本高，现有仿真框架缺乏对多机器人系统的有效支持，限制了算法的快速迭代。
  2. 通过扩展Angler框架，构建模块化架构，实现Gazebo、ArduSub SITL和MAVROS之间的无冲突通信，支持多机器人同步仿真。
  3. 集成了OMPL运动规划库、避碰模块和程序化环境生成工具，为水下多机器人运动规划算法的开发和基准测试提供平台。

📝 摘要（中文）

在水下环境中部署多机器人系统成本高昂且耗时。在仿真环境中测试算法和软件能够解耦软硬件，从而改进开发流程。Angler是一个开源框架，可以模拟板载自动驾驶仪（如ArduSub）的底层通信协议，提供了一个接近真实的框架，但缺乏对多机器人仿真的支持。本文扩展了Angler，使其支持多机器人仿真和运动规划。该扩展具有模块化架构，可在Gazebo、ArduSub软件在环（SITL）和MAVROS之间创建非冲突的通信通道，以在同一环境中同时操作多个机器人。我们的多机器人运动规划模块通过ROS 2中的JointTrajectory控制器与级联控制器连接。我们还集成了开放运动规划库（OMPL）、避碰模块和程序化环境生成工具。这项工作支持在动态环境中开发和评估水下多机器人运动规划。

🔬 方法详解

问题定义：现有水下多机器人系统的开发和测试面临成本高、周期长的问题。虽然Angler框架能够模拟单个水下机器人，但缺乏对多机器人系统的支持，无法满足复杂任务的仿真需求。现有方法难以在仿真环境中高效地开发和验证多机器人协同算法，阻碍了水下机器人技术的发展。

核心思路：本文的核心思路是扩展Angler框架，使其能够支持多个水下机器人在同一仿真环境中运行。通过构建模块化的通信架构，解决多机器人之间的通信冲突问题，并集成运动规划、避碰和环境生成等功能，为水下多机器人系统的开发和测试提供完整的仿真平台。

技术框架：该扩展框架主要包含以下几个模块：1) Gazebo仿真环境，用于模拟水下环境和机器人动力学；2) ArduSub SITL，用于模拟水下机器人的底层控制系统；3) MAVROS，用于在ROS 2中与ArduSub SITL进行通信；4) 多机器人通信模块，用于在Gazebo、ArduSub SITL和MAVROS之间建立非冲突的通信通道；5) 运动规划模块，集成了OMPL库，用于生成机器人的运动轨迹；6) 避碰模块，用于避免机器人之间的碰撞；7) 环境生成模块，用于程序化地生成水下环境。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了一个模块化的多机器人通信架构，能够有效地解决Gazebo、ArduSub SITL和MAVROS之间的通信冲突问题。通过为每个机器人创建独立的通信通道，保证了多机器人系统能够同时在同一仿真环境中运行，而不会相互干扰。此外，集成了OMPL、避碰和环境生成等功能，为水下多机器人运动规划提供了完整的解决方案。

关键设计：该框架的关键设计包括：1) 使用ROS 2的JointTrajectory控制器与级联控制器连接，实现对机器人的精确控制；2) 集成OMPL库，利用其强大的运动规划算法，生成机器人的运动轨迹；3) 开发避碰模块，避免机器人之间的碰撞；4) 实现程序化环境生成，能够快速创建各种复杂的水下环境。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

该研究扩展了Angler框架，使其能够支持多机器人仿真和运动规划。通过构建模块化的通信架构，解决了多机器人之间的通信冲突问题。集成了OMPL运动规划库、避碰模块和程序化环境生成工具，为水下多机器人运动规划算法的开发和基准测试提供了一个完整的平台。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但该框架为水下多机器人系统的开发和测试提供了一个有价值的工具。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于水下多机器人协同作业的开发和测试，例如水下搜索救援、海洋环境监测、水下基础设施维护等。通过在仿真环境中验证算法和软件，可以降低开发成本、缩短开发周期，并提高水下机器人系统的可靠性和安全性。该框架还可用于水下机器人控制、导航和避碰等领域的研究。

📄 摘要（原文）

Deploying multi-robot systems in underwater environments is expensive and lengthy; testing algorithms and software in simulation improves development by decoupling software and hardware. However, this requires a simulation framework that closely resembles the real-world. Angler is an open-source framework that simulates low-level communication protocols for an onboard autopilot, such as ArduSub, providing a framework that is close to reality, but unfortunately lacking support for simulating multiple robots. We present an extension to Angler that supports multi-robot simulation and motion planning. Our extension has a modular architecture that creates non-conflicting communication channels between Gazebo, ArduSub Software-in-the-Loop (SITL), and MAVROS to operate multiple robots simultaneously in the same environment. Our multi-robot motion planning module interfaces with cascaded controllers via a JointTrajectory controller in ROS~2. We also provide an integration with the Open Motion Planning Library (OMPL), a collision avoidance module, and tools for procedural environment generation. Our work enables the development and benchmarking of underwater multi-robot motion planning in dynamic environments.