Asymptotically Optimal Sampling-Based Motion Planning Methods

Motion planning is a fundamental problem in autonomous robotics that requires finding a path to a specified goal that avoids obstacles and takes into account a robot's limitations and constraints. It is often desirable for this path to also optimize a cost function, such as path length. Formal path-quality guarantees for continuously valued search spaces are an active area of research interest. Recent results have proven that some sampling-based planning methods probabilistically converge toward the optimal solution as computational effort approaches infinity. This survey summarizes the assumptions behind these popular asymptotically optimal techniques and provides an introduction to the significant ongoing research on this topic.Comment: Posted with permission from the Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems, Volume 4. Copyright 2021 by Annual Reviews, https://www.annualreviews.org/. 25 pages. 2 figure

Realizable Path Planning and Execution for Robotic Systems

Performing autonomous robotic tasks in the field, such as ocean monitoring and aerial surveillance, requires planning and executing paths in dynamic environments. In these uncertain and changing environments, it is not uncommon to see a large difference between the path planned by the robotic vehicle and the path that the robotic vehicle realizes while executing that path. This difference can decrease the performance of the robotic system by introducing additional risk or forcing the vehicle to miss important survey areas. Existing systems do not consider large-scale disturbances, do not consider the differences between the planning and control models, and do not incorporate new information about disturbances found online during planning and execution. To address these shortcomings, this thesis provides algorithms that incorporate disturbances directly into planning, reason about the robot's low-level controller, and utilize information gathered during execution about both disturbances and the robot's dynamics. The impact of these improvements is a reduction in risk and improvement of the quality of robotic information collection. This thesis provides three contributions to help reduce this difference between planned and executed trajectories. First, we introduce a stochastic optimization framework which utilizes an action-space path representation to remove the need for expensive reachability calculations. This action-space formulation allows for a more natural representation of the effects of disturbances on vehicles with low actuation, and the stochastic optimization technique allows the mapping of a state-space based reward function to the action-space while being efficient enough to be used in a sequential allocation framework for planning for multiple vehicles. We demonstrate the computational efficiency of this algorithm against other state-of-the-art planners in a simulated ocean environment of the Gulf of Mexico. Second, we present a novel algorithm, Energy-Efficient Stochastic Trajectory Optimization (EESTO), which allows vehicles with moderate levels of actuation to plan energy-efficient trajectories thorough strong and uncertain disturbances. In addition to this algorithm, we introduce a framework which can utilize the efficiency of EESTO to account for information gathered online about the disturbances that the vehicle is moving through. We demonstrate the capabilities of the algorithm and framework in both a simulated ocean environment off the coast of California near the Channel Island as well as on hardware on a lake near Eugene, Oregon. Lastly, we present a framework for increasing the realizability of planned paths for high-actuation vehicles, which allows the robotic system to reason about the capabilities of the on-board low-level controller. By incorporating the capabilities of the low-level controller into execution and planning, this framework is able to increase the realizability of the planned information gathering path. We demonstrate the capabilities of this framework through extensive simulation trials and on hardware on a lake near Corvallis, Oregon

Probabilistic motion planning and optimization incorporating chance constraints

Thesis: S.M., Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, 2018.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (pages 201-208).For high-dimensional robots, motion planning is still a challenging problem, especially for manipulators mounted to underwater vehicles or human support robots where uncertainties and risks of plan failure can have severe impact. However, existing risk-aware planners mostly focus on low-dimensional planning tasks, meanwhile planners that can account for uncertainties and react fast in high degree-of-freedom (DOF) robot planning tasks are lacking. In this thesis, a risk-aware motion planning and execution system called Probabilistic Chekov (p-Chekov) is introduced, which includes a deterministic stage and a risk-aware stage. A systematic set of experiments on existing motion planners as well as p-Chekov is also presented. The deterministic stage of p-Chekov leverages the recent advances in obstacle-aware trajectory optimization to improve the original tube-based-roadmap Chekov planner. Through experiments in 4 common application scenarios with 5000 test cases each, we show that using sampling-based planners alone on high DOF robots can not achieve a high enough reaction speed, whereas the popular trajectory optimizer TrajOpt with naive straight-line seed trajectories has very high collision rate despite its high planning speed. To the best of our knowledge, this is the first work that presents such a systematic and comprehensive evaluation of state-of-the-art motion planners, which are based on a significant amount of experiments. We then combine different stand-alone planners with trajectory optimization. The results show that the deterministic planning part of p-Chekov, which combines a roadmap approach that caches the all pair shortest paths solutions and an online obstacle-aware trajectory optimizer, provides superior performance over other standard sampling-based planners' combinations. Simulation results show that, in typical real-life applications, this "roadmap + TrajOpt" approach takes about 1 s to plan and the failure rate of its solutions is under 1%. The risk-aware stage of p-Chekov accounts for chance constraints through state probability distribution and collision probability estimation. Based on the deterministic Chekov planner, p-Chekov incorporates a linear-quadratic Gaussian motion planning (LQG-MP) approach into robot state probability distribution estimation, applies quadrature-sampling theories to collision risk estimation, and adapts risk allocation approaches for chance constraint satisfaction. It overcomes existing risk-aware planners' limitation in real-time motion planning tasks with high-DOF robots in 3- dimensional non-convex environments. The experimental results in this thesis show that this new risk-aware motion planning and execution system can effectively reduce collision risk and satisfy chance constraints in typical real-world planning scenarios for high-DOF robots. This thesis makes the following three main contributions: (1) a systematic evaluation of several state-of-the-art motion planners in realistic planning scenarios, including popular sampling-based motion planners and trajectory optimization type motion planners, (2) the establishment of a "roadmap + TrajOpt" deterministic motion planning system that shows superior performance in many practical planning tasks in terms of solution feasibility, optimality and reaction time, and (3) the development of a risk-aware motion planning and execution system that can handle high-DOF robotic planning tasks in 3-dimensional non-convex environments.by Siyu Dai.S.M

Planning and Navigation in Dynamic Environments for Mobile Robots and Micro Aerial Vehicles

Reliable and robust navigation planning and obstacle avoidance is key for the autonomous operation of mobile robots. In contrast to stationary industrial robots that often operate in controlled spaces, planning for mobile robots has to take changing environments and uncertainties into account during plan execution. In this thesis, planning and obstacle avoidance techniques are proposed for a variety of ground and aerial robots. Common to most of the presented approaches is the exploitation of the nature of the underlying problem to achieve short planning times by using multiresolution or hierarchical approaches. Short planning times allow for continuous and fast replanning to take the uncertainty in the environment and robot motion execution into account. The proposed approaches are evaluated in simulation and real-world experiments. The first part of this thesis addresses planning for mobile ground robots. One contribution is an approach to grasp and object removal planning to pick objects from a transport box with a mobile manipulation robot. In a multistage process, infeasible grasps are pruned in offline and online processing steps. Collision-free endeffector trajectories are planned to the remaining grasps until a valid removal trajectory can be found. An object-centric local multiresolution representation accelerates trajectory planning. The mobile manipulation components are evaluated in an integrated mobile bin-picking system. Local multiresolution planning is employed for path planning for humanoid soccer robots as well. The used Nao robot is equipped with only relatively low computing power. A resource-efficient path planner including the anticipated movements of opponents on the field is developed as part of this thesis. In soccer games an important subproblem is to reach a position behind the ball to dribble or kick it towards the goal. By the assumption that the opponents have the same intention, an explicit representation of their movements is possible. This leads to paths that facilitate the robot to reach its target position with a higher probability without being disturbed by the other robot. The evaluation for the planner is performed in a physics-based soccer simulation. The second part of this thesis covers planning and obstacle avoidance for micro aerial vehicles (MAVs), in particular multirotors. To reduce the planning complexity, the planning problem is split into a hierarchy of planners running on different levels of abstraction, i.e., from abstract to detailed environment descriptions and from coarse to fine plans. A complete planning hierarchy for MAVs is presented, from mission planners for multiple application domains to low-level obstacle avoidance. Missions planned on the top layer are executed by means of coupled allocentric and egocentric path planning. Planning is accelerated by global and local multiresolution representations. The planners can take multiple objectives into account in addition to obstacle costs and path length, e.g., sensor constraints. The path planners are supplemented by trajectory optimization to achieve dynamically feasible trajectories that can be executed by the underlying controller at higher velocities. With the initialization techniques presented in this thesis, the convergence of the optimization problem is expedited. Furthermore, frequent reoptimization of the initial trajectory allows for the reaction to changes in the environment without planning and optimizing a complete new trajectory. Fast, reactive obstacle avoidance based on artificial potential fields acts as a safety layer in the presented hierarchy. The obstacle avoidance layer employs egocentric sensor data and can operate at the data acquisition frequency of up to 40 Hz. It can slow-down and stop the MAVs in front of obstacles as well as avoid approaching dynamic obstacles. We evaluate our planning and navigation hierarchy in simulation and with a variety of MAVs in real-world applications, especially outdoor mapping missions, chimney and building inspection, and automated stocktaking.Planung und Navigation in dynamischen Umgebungen für mobile Roboter und Multikopter Zuverlässige und sichere Navigationsplanung und Hindernisvermeidung ist ein wichtiger Baustein für den autonomen Einsatz mobiler Roboter. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern, die in der Regel in abgetrennten, kontrollierten Bereichen betrieben werden, ist es in der mobilen Robotik unerlässlich, Änderungen in der Umgebung und die Unsicherheit bei der Aktionsausführung zu berücksichtigen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren zur Planung und Hindernisvermeidung für eine Reihe unterschiedlicher Boden- und Flugroboter entwickelt und vorgestellt. Den meisten beschriebenen Ansätzen ist gemein, dass die Struktur der zu lösenden Probleme ausgenutzt wird, um Planungsprozesse zu beschleunigen. Häufig ist es möglich, mit abnehmender Genauigkeit zu planen desto weiter eine Aktion in der Zeit oder im Ort entfernt ist. Dieser Ansatz wird lokale Multiresolution genannt. In anderen Fällen ist eine Zerlegung des Problems in Schichten unterschiedlicher Genauigkeit möglich. Die damit zu erreichende Beschleunigung der Planung ermöglicht ein häufiges Neuplanen und somit die Reaktion auf Änderungen in der Umgebung und Abweichungen bei den ausgeführten Aktionen. Zur Evaluation der vorgestellten Ansätze werden Experimente sowohl in der Simulation als auch mit Robotern durchgeführt. Der erste Teil dieser Dissertation behandelt Planungsmethoden für mobile Bodenroboter. Um Objekte mit einem mobilen Roboter aus einer Transportkiste zu greifen und zur Weiterverarbeitung zu einem Arbeitsplatz zu liefern, wurde ein System zur Planung möglicher Greifposen und hindernisfreier Endeffektorbahnen entwickelt. In einem mehrstufigen Prozess werden mögliche Griffe an bekannten Objekten erst in mehreren Vorverarbeitungsschritten (offline) und anschließend, passend zu den erfassten Objekten, online identifiziert. Zu den verbleibenden möglichen Griffen werden Endeffektorbahnen geplant und, bei Erfolg, ausgeführt. Die Greif- und Bahnplanung wird durch eine objektzentrische lokale Multiresolutionskarte beschleunigt. Die Einzelkomponenten werden in einem prototypischen Gesamtsystem evaluiert. Eine weitere Anwendung für die lokale Multiresolutionsplanung ist die Pfadplanung für humanoide Fußballroboter. Zum Einsatz kommen Nao-Roboter, die nur über eine sehr eingeschränkte Rechenleistung verfügen. Durch die Reduktion der Planungskomplexität mit Hilfe der lokalen Multiresolution, wurde die Entwicklung eines Planers ermöglicht, der zusätzlich zur aktuellen Hindernisfreiheit die Bewegung der Gegenspieler auf dem Feld berücksichtigt. Hierbei liegt der Fokus auf einem wichtigen Teilproblem, dem Erreichen einer guten Schussposition hinter dem Ball. Die Tatsache, dass die Gegenspieler vergleichbare Ziele verfolgen, ermöglicht es, Annahmen über mögliche Laufwege zu treffen. Dadurch ist die Planung von Pfaden möglich, die das Risiko, durch einen Gegenspieler passiv geblockt zu werden, reduzieren, so dass die Schussposition schneller erreicht wird. Dieser Teil der Arbeit wird in einer physikalischen Fußballsimulation evaluiert. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden Methoden zur Planung und Hindernisvermeidung von Multikoptern behandelt. Um die Planungskomplexität zu reduzieren, wird das zu lösenden Planungsproblem hierarchisch zerlegt und durch verschiedene Planungsebenen verarbeitet. Dabei haben höhere Planungsebenen eine abstraktere Weltsicht und werden mit niedriger Frequenz ausgeführt, zum Beispiel die Missionsplanung. Niedrigere Ebenen haben eine Weltsicht, die mehr den Sensordaten entspricht und werden mit höherer Frequenz ausgeführt. Die Granularität der resultierenden Pläne verfeinert sich hierbei auf niedrigeren Ebenen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine komplette Planungshierarchie für Multikopter entwickelt, von Missionsplanern für verschiedene Anwendungsgebiete bis zu schneller Hindernisvermeidung. Pfade zur Ausführung geplanter Missionen werden durch zwei gekoppelte Planungsebenen erstellt, erst allozentrisch, und dann egozentrisch verfeinert. Hierbei werden ebenfalls globale und lokale Multiresolutionsrepräsentationen zur Beschleunigung der Planung eingesetzt. Zusätzlich zur Hindernisfreiheit und Länge der Pfade können auf diesen Planungsebenen weitere Zielfunktionen berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Berücksichtigung von Sensorcharakteristika. Ergänzt werden die Planungsebenen durch die Optimierung von Flugbahnen. Diese Flugbahnen berücksichtigen eine angenäherte Flugdynamik und erlauben damit ein schnelleres Verfolgen der optimierten Pfade. Um eine schnelle Konvergenz des Optimierungsproblems zu erreichen, wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zur Initialisierung entwickelt. Des Weiteren kommen Methoden zur schnellen Verfeinerung des Optimierungsergebnisses bei Änderungen im Weltzustand zum Einsatz, diese ermöglichen die Reaktion auf neue Hindernisse oder Abweichungen von der Flugbahn, ohne eine komplette Flugbahn neu zu planen und zu optimieren. Die Sicherheit des durch die Planungs- und Optimierungsebenen erstellten Pfades wird durch eine schnelle, reaktive Hindernisvermeidung gewährleistet. Das Hindernisvermeidungsmodul basiert auf der Methode der künstlichen Potentialfelder. Durch die Verwendung dieser schnellen Methode kombiniert mit der Verwendung von nicht oder nur über kurze Zeiträume aggregierte Sensordaten, ermöglicht die Reaktion auf unbekannte Hindernisse, kurz nachdem diese von den Sensoren wahrgenommen wurden. Dabei kann der Multikopter abgebremst oder gestoppt werden, und sich von nähernden Hindernissen entfernen. Die Komponenten der Planungs- und Hindernisvermeidungshierarchie werden sowohl in der Simulation evaluiert, als auch in integrierten Gesamtsystemen mit verschiedenen Multikoptern in realen Anwendungen. Dies sind insbesondere die Kartierung von Innen- und Außenbereichen, die Inspektion von Gebäuden und Schornsteinen sowie die automatisierte Inventur von Lägern