This commit is contained in:
2025-12-05 11:12:17 +07:00
parent f60cbc2ed3
commit 45d965671e
196 changed files with 41817 additions and 0 deletions

View File

@@ -0,0 +1,446 @@
# Thảo luận về Kiến trúc Navigation cho AMR
## Mục tiêu dự án
Nghiên cứu và phát triển hệ thống navigation (di chuyển bám quỹ đạo) cho robot AMR dạng hai bánh vi sai, **không sử dụng ROS**, viết thuần C++ với CMake trên Linux.
## Yêu cầu chức năng
Từ `readme.md`:
- Có khả năng thay đổi mô hình kinematics (dạng hai bánh vi sai, dạng steering bicycle, ...)
- Có chức năng di chuyển từ điểm khởi đầu đến điểm đích
- Có chức năng xoay tròn
- Có chức năng đi thẳng
- Có chức năng thay đổi vận tốc
## Sơ đồ kiến trúc hệ thống
Kiến trúc được thiết kế theo mô hình layered, tách biệt các concerns và cho phép mở rộng dễ dàng:
```mermaid
flowchart TB
%% ========== API LAYER ==========
subgraph API["🌐 API Layer"]
direction TB
CAPI["<b>📦 C API</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🔌 nav_c_api<br/>💻 P/Invoke cho .NET/C#<br/>📝 Wrapper Functions<br/>🔗 Interop Layer"]
style API fill:#E3F2FD,stroke:#1976D2,stroke-width:4px,color:#000
style CAPI fill:#BBDEFB,stroke:#1976D2,stroke-width:3px,font-size:14px
end
%% ========== USER CONTROLLER LAYER ==========
subgraph UserController["🎮 User Controller Layer"]
direction TB
UserCtrl["<b>🔌 User Controller Plugin</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📚 Dynamic Loader<br/>⚙️ boost::dll<br/>🎯 Custom Behavior<br/>🔄 Runtime Loading"]
style UserController fill:#F3E5F5,stroke:#7B1FA2,stroke-width:4px,color:#000
style UserCtrl fill:#E1BEE7,stroke:#7B1FA2,stroke-width:3px,font-size:14px
end
%% ========== INTERFACE LAYER ==========
subgraph Interface["🔌 Interface Layer"]
direction TB
BaseNav["<b>📋 BaseNavigation</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🏗️ move_base_core::BaseNavigation<br/>🎯 Abstract Interface<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📍 moveTo, dockTo<br/>🔄 rotateTo, moveStraightTo<br/>⏸️ pause, resume, cancel<br/>📊 getRobotPose"]
style Interface fill:#FFF3E0,stroke:#E65100,stroke-width:4px,color:#000
style BaseNav fill:#FFE0B2,stroke:#E65100,stroke-width:3px,font-size:14px
end
%% ========== MOVE BASE CORE ==========
subgraph MoveBaseCore["⚙️ Move Base Core"]
direction TB
MoveBase["<b>🚀 MoveBase</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📦 move_base::MoveBase<br/>🔄 State Machine<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📊 PLANNING<br/>🎮 CONTROLLING<br/>🧹 CLEARING<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🎛️ Control Loop<br/>🔄 executeCycle"]
style MoveBaseCore fill:#E8F5E9,stroke:#2E7D32,stroke-width:4px,color:#000
style MoveBase fill:#C8E6C9,stroke:#2E7D32,stroke-width:3px,font-size:14px
end
%% ========== PLANNING LAYER ==========
subgraph Planning["🗺️ Planning Layer - Plugin System"]
direction LR
GP["<b>🌍 Global Planner</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📋 nav_core::BaseGlobalPlanner<br/>🔌 Dynamic Plugin<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🎯 A*, D*, Hybrid A*<br/>📐 Long-range Planning<br/>🗺️ Global Path"]
LP["<b>📍 Local Planner</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📋 nav_core::BaseLocalPlanner<br/>🔌 Dynamic Plugin<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🎯 DWA, TEB, MKT<br/>🚗 Velocity Commands<br/>🛡️ Obstacle Avoidance"]
RB["<b>🔄 Recovery Behaviors</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📋 nav_core::RecoveryBehavior<br/>🔌 Dynamic Plugin<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🧹 Clear Costmap<br/>🔄 Rotate Recovery<br/>🚨 Emergency Stop"]
style Planning fill:#E1F5FE,stroke:#0277BD,stroke-width:4px,color:#000
style GP fill:#B3E5FC,stroke:#0277BD,stroke-width:3px,font-size:13px
style LP fill:#B3E5FC,stroke:#0277BD,stroke-width:3px,font-size:13px
style RB fill:#B3E5FC,stroke:#0277BD,stroke-width:3px,font-size:13px
end
%% ========== COSTMAP LAYER ==========
subgraph Costmap["🗺️ Costmap Layer"]
direction LR
GC["<b>🌍 Global Costmap</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📦 costmap_2d::Costmap2DROBOT<br/>🌍 frame: map<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🗺️ Static Map<br/>🚫 Obstacles<br/>💰 Inflation Layer"]
LC["<b>📍 Local Costmap</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📦 costmap_2d::Costmap2DROBOT<br/>📍 frame: odom<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🔍 Dynamic Obstacles<br/>📡 Sensor Fusion<br/>⚡ Real-time Updates"]
style Costmap fill:#F1F8E9,stroke:#558B2F,stroke-width:4px,color:#000
style GC fill:#DCEDC8,stroke:#558B2F,stroke-width:3px,font-size:13px
style LC fill:#DCEDC8,stroke:#558B2F,stroke-width:3px,font-size:13px
end
%% ========== ALGORITHMS LAYER ==========
subgraph Algorithms["🧮 Algorithms Layer"]
direction LR
MKTAlgo["<b>🚗 MKT Algorithm</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>⚙️ Diff Drive Kinematics<br/>🚲 Bicycle Kinematics<br/>📐 Trajectory Generation"]
ScoreAlgo["<b>📊 Score Algorithm</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📈 Trajectory Scoring<br/>✅ Goal Checking<br/>🎯 Path Evaluation"]
KalmanAlgo["<b>🔍 Kalman Filter</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📊 State Estimation<br/>🔮 Sensor Fusion<br/>📉 Noise Filtering"]
style Algorithms fill:#FCE4EC,stroke:#C2185B,stroke-width:4px,color:#000
style MKTAlgo fill:#F8BBD0,stroke:#C2185B,stroke-width:3px,font-size:13px
style ScoreAlgo fill:#F8BBD0,stroke:#C2185B,stroke-width:3px,font-size:13px
style KalmanAlgo fill:#F8BBD0,stroke:#C2185B,stroke-width:3px,font-size:13px
end
%% ========== DATA SOURCES ==========
subgraph DataSources["📡 Data Sources"]
direction TB
Goal["<b>🎯 Goal Input</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📍 geometry_msgs::PoseStamped<br/>📨 move_base_simple/goal"]
Loc["<b>🌍 Localization</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📍 Pnkx Loc<br/>🗺️ Global Pose<br/>🔄 Pose Updates"]
TF["<b>🔄 Transform System</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📐 tf3::BufferCore<br/>🌐 Coordinate Frames<br/>⏱️ Time Synchronization"]
Odom["<b>🚗 Odometry</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📍 geometry_msgs::Odometry<br/>⚡ Robot Velocity<br/>📊 Position Tracking"]
Laser["<b>📡 Laser Sensors</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🔍 sensor_msgs::LaserScan<br/>🚫 Obstacle Detection<br/>📏 Distance Measurement"]
Map["<b>🗺️ Map Server</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📋 nav_msgs::OccupancyGrid<br/>🏗️ Static Map<br/>📐 Map Metadata"]
style DataSources fill:#FFF9C4,stroke:#F57F17,stroke-width:4px,color:#000
style Goal fill:#FFF59D,stroke:#F57F17,stroke-width:3px,font-size:12px
style Loc fill:#FFF59D,stroke:#F57F17,stroke-width:3px,font-size:12px
style TF fill:#FFF59D,stroke:#F57F17,stroke-width:3px,font-size:12px
style Odom fill:#FFF59D,stroke:#F57F17,stroke-width:3px,font-size:12px
style Laser fill:#FFF59D,stroke:#F57F17,stroke-width:3px,font-size:12px
style Map fill:#FFF59D,stroke:#F57F17,stroke-width:3px,font-size:12px
end
%% ========== CONTROL LOOP ==========
subgraph ControlLoop["🔄 Control Loop"]
direction LR
CmdVel["<b>⚡ Velocity Command</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>📤 geometry_msgs::Twist<br/>📨 cmd_vel<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>➡️ Linear Velocity<br/>🔄 Angular Velocity"]
BaseCtrl["<b>🎮 Base Controller</b><br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>🚗 diff_driver_controller<br/>🚲 steer_drive_controller<br/>━━━━━━━━━━━━━━━━<br/>⚙️ Kinematics<br/>🔧 Hardware Interface"]
style ControlLoop fill:#FFEBEE,stroke:#C62828,stroke-width:4px,color:#000
style CmdVel fill:#FFCDD2,stroke:#C62828,stroke-width:3px,font-size:13px
style BaseCtrl fill:#FFCDD2,stroke:#C62828,stroke-width:3px,font-size:13px
end
%% ========== CONNECTIONS ==========
%% API to User Controller
CAPI -->|"🔗 P/Invoke"| UserCtrl
%% User Controller to Interface
UserCtrl -->|"🎯 Uses"| BaseNav
%% Interface to MoveBase
BaseNav -->|"⚙️ Implements"| MoveBase
%% MoveBase to Planning
MoveBase -->|"🎛️ Manages"| GP
MoveBase -->|"🎛️ Manages"| LP
MoveBase -->|"🎛️ Manages"| RB
%% MoveBase to Costmap
MoveBase -->|"🎛️ Manages"| GC
MoveBase -->|"🎛️ Manages"| LC
%% Data Sources to Components
Goal -->|"📥 Input"| UserCtrl
Goal -->|"📥 Input"| BaseNav
Loc -->|"📍 Pose"| MoveBase
TF -->|"🔄 Transforms"| MoveBase
Laser -->|"📡 Scan Data"| LC
Map -->|"🗺️ Static Map"| GC
Odom -->|"⚡ Velocity"| LP
Odom -->|"📍 Pose"| MoveBase
%% Planning Flow
GC -->|"🗺️ Costmap"| GP
GP -->|"🛤️ Global Path"| LP
LC -->|"🗺️ Costmap"| LP
LC -->|"🗺️ Costmap"| RB
GC -->|"🗺️ Costmap"| RB
%% Algorithm Integration
MKTAlgo -->|"🚗 Kinematics"| LP
ScoreAlgo -->|"📊 Scoring"| LP
KalmanAlgo -.->|"🔍 Filtering"| Loc
%% Control Flow
LP -->|"⚡ Velocity Cmd"| CmdVel
CmdVel -->|"▶️ Execute"| BaseCtrl
BaseCtrl -->|"📊 Feedback"| Odom
%% Styling Classes
classDef implemented fill:#C8E6C9,stroke:#2E7D32,stroke-width:4px,color:#000
classDef partial fill:#FFF9C4,stroke:#F57F17,stroke-width:3px,color:#000
classDef todo fill:#FFCDD2,stroke:#C62828,stroke-width:3px,color:#000
class BaseNav,MoveBase,GP,LP,RB,GC,LC,CAPI,MKTAlgo,ScoreAlgo,KalmanAlgo,UserCtrl implemented
class BaseCtrl,Loc,Odom,Map,Laser,TF partial
```
## Đề xuất giải pháp kiến trúc
### 1. Xác định phạm vi & yêu cầu vận hành
Cần làm rõ:
- **Kịch bản sử dụng chính**: go-to-goal trong môi trường indoor/outdoor? Tốc độ di chuyển? Độ chính xác yêu cầu?
- **Cảm biến có sẵn**: encoder, IMU, lidar, camera? Dữ liệu nào đã có?
- **Yêu cầu real-time**: chu kỳ điều khiển (control loop frequency), độ trễ tối đa cho phép?
### 2. Kiến trúc tổng thể
**Các layer chính:**
1. **API Layer**
- C API (`nav_c_api`) cho P/Invoke với .NET/C#
- Wrapper functions cho tất cả BaseNavigation methods
2. **User Controller Layer**
- **User Controller Plugin**: Dynamically allocated từ loader controller plugin
- Sử dụng `boost::dll` để load plugins động
- Cho phép user định nghĩa controller riêng để điều khiển navigation behavior
- Kết nối với `BaseNavigation` interface
3. **Interface Layer**
- `move_base_core::BaseNavigation`: Abstract interface cho navigation
- Định nghĩa các operations: moveTo, dockTo, rotateTo, moveStraightTo, pause, resume, cancel
- Là lớp trung gian định nghĩa các phương thức và thuộc tính liên quan đến navigation
4. **Move Base Core**
- `move_base::MoveBase`: Core implementation của BaseNavigation
- Quản lý state machine (PLANNING, CONTROLLING, CLEARING)
- Điều phối global/local planner và recovery behaviors
- Quản lý costmaps (global và local)
- Thực thi control loop (executeCycle)
4. **Planning Layer**
- `nav_core::BaseGlobalPlanner`: Interface cho global planners (A*, D*, etc.)
- `nav_core::BaseLocalPlanner`: Interface cho local planners (DWA, TEB, MKT, etc.)
- `nav_core::RecoveryBehavior`: Interface cho recovery behaviors
- Plugin system sử dụng `boost::dll` để dynamic loading
5. **Costmap Layer**
- `costmap_2d::Costmap2DROBOT`: Global và local costmap
- Costmap layers: static map, obstacles, inflation
- Frame management: map (global), odom (local)
6. **Algorithms Layer**
- `mkt_algorithm`: Diff drive và bicycle kinematics algorithms
- `score_algorithm`: Trajectory scoring và goal checking
- `kalman`: Filtering algorithms
7. **Data Sources** ⚠️ (Interface cần định nghĩa)
- Localization source (Pnkx Loc)
- Odometry source
- Sensor transforms (tf3)
- Map server
- Laser sensors
8. **Control Layer** ⚠️ (Cần implementation)
- Base Controller interface (Diff/Steer drive)
- Velocity command execution
**Định dạng dữ liệu:**
- `geometry_msgs::Pose2D` / `geometry_msgs::PoseStamped` (vị trí + hướng)
- `geometry_msgs::Twist` (vận tốc linear/angular)
- `std::vector<geometry_msgs::PoseStamped>` (đường đi)
- `costmap_2d::Costmap2D` (bản đồ chi phí)
### 3. Thiết kế từng module (interface level)
**Các interface đã có:**
- `move_base_core::BaseNavigation`
- `initialize(TFListenerPtr)` - Khởi tạo với TF listener
- `moveTo(goal, xy_tol, yaw_tol)` - Di chuyển đến goal
- `dockTo(marker, goal, ...)` - Docking đến marker
- `rotateTo(goal, yaw_tol)` - Xoay tại chỗ
- `moveStraightTo(goal, xy_tol)` - Đi thẳng
- `pause()`, `resume()`, `cancel()` - Điều khiển trạng thái
- `getRobotPose(...)` - Lấy vị trí robot
- `nav_core::BaseGlobalPlanner`
- `makePlan(start, goal, plan)` - Tạo global path
- `initialize(name, costmap_robot)` - Khởi tạo với costmap
- `nav_core::BaseLocalPlanner`
- `computeVelocityCommands(cmd_vel)` - Tính toán velocity command
- `setPlan(plan)` - Set global path để follow
- `isGoalReached()` - Kiểm tra đã đến goal chưa
- `swapPlanner(name)` - Thay đổi planner động
- `setTwistLinear/Angular(...)` - Set velocity limits
- `nav_core::RecoveryBehavior`
- `runBehavior()` - Thực thi recovery behavior
- `costmap_2d::Costmap2DROBOT`
- Wrapper cho costmap với robot footprint
- Thread-safe access với mutex
**Các interface cần bổ sung:** ⚠️
- `ILocalizationSource` ⚠️
- `getCurrentPose()` - Lấy vị trí hiện tại từ localization
- `isAvailable()` - Kiểm tra localization có sẵn không
- `IOdometrySource` ⚠️
- `getCurrentPose()` - Lấy vị trí từ odometry
- `getCurrentVelocity()` - Lấy vận tốc hiện tại
- `isAvailable()` - Kiểm tra odometry có sẵn không
- `IBaseController` ⚠️
- `executeVelocity(cmd_vel)` - Thực thi velocity command
- `stop()` - Dừng robot ngay lập tức
- `getCurrentVelocity()` - Lấy vận tốc thực tế
- `IMapProvider` ⚠️
- `getMap()` - Lấy static map
- `isMapAvailable()` - Kiểm tra map có sẵn không
**Plugin mechanism:**
- Sử dụng `boost::dll` để dynamic loading plugins
- Factory pattern với `boost::function``boost::dll::import`
- Config file YAML để specify plugin names
- Plugin interfaces: `BaseGlobalPlanner`, `BaseLocalPlanner`, `RecoveryBehavior`
### 4. Cơ chế giao tiếp & đồng bộ
**Lựa chọn transport:**
- Shared memory + mutex (cho real-time nhẹ)
- Message queue (ZeroMQ, nanomsg)
- Event loop với callback thread-safe
**Time synchronization:**
- Sử dụng `std::chrono` cho timestamp
- Buffer dữ liệu để xử lý dữ liệu không đồng bộ
**Threading strategy:**
- Mỗi module một thread riêng, hoặc
- Scheduler chung quản lý tất cả
### 5. Chiến lược an toàn & recovery
**Monitoring:**
- Heartbeat mechanism
- Watchdog timer
**Recovery behaviors:**
- Không tìm được đường đi
- Mất localization
- Obstacle chặn đường
- Emergency stop mechanism
- Giới hạn vận tốc theo trạng thái
### 6. Config & Logging/Diagnostics
**Configuration:**
- File YAML/JSON cho:
- Kinematics parameters
- Velocity limits
- Planner parameters
- Sensor configurations
**Logging & Debugging:**
- Logging framework (spdlog?)
- Telemetry interface
- Visualizer tool (SDL/ImGui) để debug map/path
### 7. Trạng thái triển khai & lộ trình
**Đã hoàn thành:**
1.**Interface Layer**: `BaseNavigation` interface
2.**Implementation Layer**: `MoveBase` core logic
3.**Planning Layer**: Plugin system cho global/local planners và recovery
4.**Costmap Layer**: Global và local costmap với layers
5.**Algorithms Layer**: MKT algorithms, score algorithm, kalman
6.**API Layer**: C API wrapper cho .NET integration
7.**Supporting Libraries**: tf3, robot_time, geometry_msgs, nav_2d_utils
**Đang triển khai / Cần bổ sung:** ⚠️
1. ⚠️ **Data Sources Interfaces**:
- `ILocalizationSource` interface
- `IOdometrySource` interface
- `IMapProvider` interface
- Integration với Pnkx Loc, odometry sources
2. ⚠️ **Base Controller**:
- `IBaseController` interface
- Diff drive controller implementation
- Steer drive controller implementation
- Velocity command execution
3. ⚠️ **Control Loop**:
- Control loop trong MoveBase (executeCycle)
- State machine management hoàn chỉnh
- Threading và synchronization
4. ⚠️ **User Controller Plugin System**:
- Factory để load user controller plugins
- Integration với BaseNavigation
**Lộ trình tiếp theo:**
**Phase 1: Data Sources & Base Controller** (Ưu tiên cao)
- Định nghĩa interfaces cho data sources
- Implement Base Controller interface và diff drive controller
- Integration với MoveBase
**Phase 2: Control Loop & State Management** (Ưu tiên cao)
- Hoàn thiện executeCycle trong MoveBase
- State machine management
- Threading strategy
**Phase 3: User Controller Plugin System** (Ưu tiên trung bình)
- Factory pattern cho user controllers
- Plugin loading mechanism
- Integration testing
**Phase 4: Testing & Optimization** (Ưu tiên trung bình)
- Unit tests cho các module
- Integration tests
- Performance optimization
**Testing strategy:**
- Unit tests cho các module độc lập (gtest?)
- Integration tests cho full navigation stack
- Simulation environment (2D simulator) - TODO
- Hardware-in-the-loop testing - TODO
## Cấu trúc thư mục
```
pnkx_nav_core/
├── src/
│ ├── Navigations/
│ │ ├── Cores/
│ │ │ ├── move_base_core/ # BaseNavigation interface
│ │ │ ├── nav_core/ # Planner interfaces
│ │ │ ├── nav_core_adapter/ # Adapter utilities
│ │ │ └── nav_core2/ # Additional nav utilities
│ │ ├── Libraries/
│ │ │ ├── costmap_2d/ # Costmap system
│ │ │ ├── tf3/ # Transform system
│ │ │ ├── robot_time/ # Time management
│ │ │ ├── geometry2/ # Geometry utilities
│ │ │ └── ... # Other supporting libraries
│ │ └── Packages/
│ │ └── move_base/ # MoveBase implementation
│ ├── Algorithms/
│ │ ├── Cores/
│ │ │ └── score_algorithm/ # Trajectory scoring
│ │ └── Libraries/
│ │ ├── mkt_algorithm/ # MKT kinematics algorithms
│ │ ├── kalman/ # Kalman filtering
│ │ └── angles/ # Angle utilities
│ └── APIs/
│ └── c_api/ # C API wrapper
├── build/ # Build artifacts
└── doc/ # Documentation
```
## Ghi chú
- ✅ Kiến trúc cốt lõi đã được triển khai với plugin system linh hoạt
- ⚠️ Cần bổ sung data sources interfaces và base controller
- 🔄 Kiến trúc được thiết kế để dễ dàng thay đổi thuật toán và mô hình kinematics thông qua plugin system
- 📦 Tất cả components được build bằng CMake, không phụ thuộc ROS
- 🔌 Plugin system sử dụng `boost::dll` cho dynamic loading