网站基本流程,北京设计网站,百度站长工具网站认证,蓝韵官方网站一、说明 在复杂而迷人的机器人世界中#xff0c;行为树#xff08;BT#xff09;已成为决策过程中不可或缺的一部分。它们提供了一种结构化、模块化和高效的方法来对机器人的行为进行编程。BT起源于视频游戏行业#xff0c;用于控制非玩家角色#xff0c;他们在机器人领域… 一、说明 在复杂而迷人的机器人世界中行为树BT已成为决策过程中不可或缺的一部分。它们提供了一种结构化、模块化和高效的方法来对机器人的行为进行编程。BT起源于视频游戏行业用于控制非玩家角色他们在机器人领域找到了归宿他们擅长管理无数的任务和条件。 用于机器人导航的Nav2和操作框架MoveIt等机器人软件使用行为树来处理复杂的动作和条件。 在这篇文章中我们将探索行为树以彻底理解它们。我们将首先分解行为树的基本部分并清楚地了解它们的工作原理。然后我们将进入实际领域编写代码来创建和使用行为树独立于任何特定的平台或框架。
但我们不会止步于此。一旦我们掌握了基础知识我们将更进一步将我们的行为树与ROS2机器人操作系统2集成ROS是一个用于编写机器人软件的灵活框架。这将展示如何在现实世界的机器人环境中使用行为树增强我们自主系统的决策能力。
二、行为树的基本概念 将行为树 BT 视为视频游戏角色、机器人或任何其他需要决定下一步操作的自主代理的决策图。 想象一下你正在导演一部戏剧但你的演员是机器人。作为导演你需要一种方法来指导你的演员告诉他们该做什么以及什么时候做。行为树BT就像你的脚本详细说明你的机器人演员需要做出的每一个动作。就像在真实的戏剧中一样当导演叫“动作”或者在这种情况下“滴答”时节目或任务就开始了。 那么什么是“刻度”在BT的上下文中tick是从树的根节点或起点到其子节点的信号敦促它们执行任务。节点仅在收到即时报价时“采取行动”。 现在这个系统的美妙之处在于它的反馈机制。节点开始执行其任务后它会使用以下三种状态之一与控制器其父节点通信其进度正在运行、成功或失败。
正在运行这种状态有点像在说“我在上面但我还没有完成。成功这相当于“我已经尽了自己的一份力量而且进展顺利。失败这就像说“我试过了但我做不到。 根据这些状态导演决定将下一个即时报价发送到何处。这是一个持续到任务完成或不再有效的循环。 行为树由两种主要类型的节点组成控制流节点和执行节点。让我们更深入地了解它们。 控制流节点就像导演的助手他们帮助决定演员下一步应该做什么。主要有四种类型 序列→节点这就像一个严格的助手他要求每个任务都必须完美地完成顺序然后才能继续下一个任务。如果任何任务失败序列将停止并报告失败。 回退 节点也称为选择器这是一个更灵活的助手他有一个任务列表并逐个尝试直到一个成功。如果所有任务都失败则回退报告失败。 并行 ⇒节点 这是一个可以同时处理多项任务的助手指导多个演员同时执行他们的任务。并行节点根据一组必须成功的任务来定义其成功。 装饰器节点这个助手有点特别因为它只处理一个演员但可以通过各种方式修改演员的行为。有不同种类的装饰器每种装饰器都为任务提供了独特的转折。
执行节点是参与者即执行任务操作或评估某些条件条件的参与者。 操作节点 当此参与者收到勾号时它会启动其任务使控制器保持“正在运行”状态的更新最后报告“成功”或“失败”。 条件节点 这个演员更像是一个抽查者。它评估是否满足某些条件如果条件为真则立即报告“成功”如果条件为假则立即报告“失败”。 现在您已经了解了基础知识您可以使用行为树指导您的机器人游戏。请记住此框架旨在提高灵活性和适应性使您的机器人参与者能够快速响应变化并执行复杂、细致入微的任务。 三、BT 的节点类型 让我们考虑一个机器人手臂上下文中的行为树它可以捡起球并将其放置在球门位置。 高级BT执行一项任务包括首先找到然后挑选并最终放置球
BT 以序列节点作为主控制器开始。该节点对机器人有两个主要任务“查找球”和“放置球”。第一个任务“找球”涉及一个机器人该机器人被分配来定位球。第二个任务“放置一个球”更为复杂。此任务由另一个“序列”节点管理该节点可确保按顺序执行一系列操作。此序列涉及任务“挑选球”。“拾球”任务由两个回退节点管理。这些节点中的每一个都有不同的方法来引导机器人。
第一个回退节点确保机器人检查“球是否接近”如果是则指示机器人“接近球”。第二个回退节点负责检查“球是否被抓住”如果没有则指示机器人“抓住球”。 请记住在BT中节点仅在收到信号或“滴答”时才起作用。一旦任务启动机器人就会将其状态传达回其父节点。循环一直持续到所有任务完成或无法完成。 到目前为止我们已经详细讨论了行为树的概念和机制。现在是时候将这些想法付诸行动了。 在深入研究实际编码之前我们需要设置行为树包。在以下各节中我们将引导您完成设置此包的过程之后我们将探索将行为树变为现实的代码。 要在 Ubuntu 20.04 上设置并运行我们的第一个 BehaviorTree.CPP 示例请执行以下步骤
# Install the required dependencies:
# Open a terminal and run the following commands to install the necessary
# dependencies:
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y libzmq3-dev libboost-dev libboost-system-dev libboost-filesystem-dev libboost-thread-dev libprotobuf-dev protobuf-compiler libmsgsl-dev libgtest-dev cmake# Build and install BehaviorTree.CPP:
# Clone the BehaviorTree.CPP repository, build, and install the library:
git clone https://github.com/BehaviorTree/BehaviorTree.CPP.git
cd BehaviorTree.CPP
mkdir build
cd build
cmake ..
make -j$(nproc)
sudo make install
让我们从使用 BehaviorTree 的简单示例开始.CPP将帮助您了解基础知识并熟悉语法。
mkdir ~/example1
cd ~/example1
touch main.cpp touch CMakeLists.txt
// main.cpp#include behaviortree_cpp/bt_factory.h
#include behaviortree_cpp/behavior_tree.husing namespace BT;class SaySomething : public SyncActionNode
{
public:SaySomething(const std::string name, const NodeConfiguration config): SyncActionNode(name, config){}static PortsList providedPorts(){return { InputPortstd::string(message) };}NodeStatus tick() override{std::string message;getInput(message, message);std::cout Robot says: message std::endl;return NodeStatus::SUCCESS;}
};static const char* xml_text R(
rootBehaviorTreeSaySomething messageHello, World! //BehaviorTree
/root
);int main()
{BehaviorTreeFactory factory;factory.registerNodeTypeSaySomething(SaySomething);auto tree factory.createTreeFromText(xml_text);tree.tickWhileRunning();return 0;
}
# CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.5)
project(bt_example)set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)find_package(behaviortree_cpp REQUIRED)add_executable(bt_example main.cpp)
target_link_libraries(bt_example BT::behaviortree_cpp)
# Now, build and run the example:
mkdir build
cd build
cmake ..
make
./bt_example 太棒了您已经获得了第一个BehaviorTree.CPP 代码片段该脚本代表了一个基本的行为树其中机器人您的演员有一个简单的任务说些什么。让我们来分解一下 该类扩展了该类该类是 BehaviorTree.CPP 提供的执行节点类型之一。这是一个同步操作节点这意味着它不返回“正在运行”状态而只返回“成功”或“失败”。在我们的例子中它将始终返回“成功”。SaySomethingSyncActionNodeSyncActionNode 该方法是在勾选此节点时调用的主要方法。在这里它检索输入消息并将其输出到控制台。由于它每次都成功执行其任务因此它会返回 .tick()NodeStatus::SUCCESS 定义为 的 XML 文本表示行为树的结构。它包含一个节点带有消息“Hello Worldxml_textSaySomething 最后该函数创建一个 注册节点类型从 XML 文本创建树并在树运行时勾选树。这让机器人说“你好世界mainBehaviorTreeFactorySaySomething 现在有了基础知识您就可以转向更复杂的行为树例如拾取和放置树。在选取和放置树中您将引入更多控制流节点和执行节点将它们交织在一起以实现所需的行为。此处提供了此示例的完整代码。
#include iostream#include behaviortree_cpp/bt_factory.h
#include behaviortree_cpp/behavior_tree.husing namespace BT;// Define FindBall action node
class FindBall : public BT::SyncActionNode
{public:FindBall(const std::string name) : BT::SyncActionNode(name, {}){}// Define the tick() function for the FindBall nodeNodeStatus tick() override{std::cout [⚓ FindBall ] \t this-name() std::endl; return BT::NodeStatus::SUCCESS;}
};// Define PickBall action node
class PickBall : public BT::SyncActionNode
{public:PickBall(const std::string name) : BT::SyncActionNode(name, {}){}// Define the tick() function for the PickBall nodeNodeStatus tick() override{std::cout [⚓ PickBall ] \t this-name() std::endl;return BT::NodeStatus::SUCCESS;}
};// Define PlaceBall action node
class PlaceBall : public BT::SyncActionNode
{public:PlaceBall(const std::string name) : BT::SyncActionNode(name, {}){}// Define the tick() function for the PlaceBall nodeNodeStatus tick() override{std::cout [⚓ PlaceBall ] \t this-name() std::endl;return BT::NodeStatus::SUCCESS;}
};// Define GripperInterface class for interacting with the gripper
class GripperInterface
{private:bool _opened;public:GripperInterface() : _opened(true){}NodeStatus open(){_opened true;std::cout GripperInterface::open std::endl;return BT::NodeStatus::SUCCESS;}NodeStatus close(){std::cout GripperInterface::close std::endl;_opened false;return BT::NodeStatus::SUCCESS;}
};// Define BallClose condition function
BT::NodeStatus BallClose()
{std::cout [ Close to ball: NO ] std::endl;return BT::NodeStatus::FAILURE;
}// Define BallGrasped condition function
BT::NodeStatus BallGrasped()
{std::cout [ Grasped: NO ] std::endl;return BT::NodeStatus::FAILURE;
}// Define the behavior tree structure in XML format
static const char* xml_text R(root main_tree_to_execute MainTree BehaviorTree IDMainTreeSequence nameroot_sequenceFindBall namefound_ok/SequenceFallbackBallClose nameno_ball/PickBall nameapproach_ball//FallbackFallbackBallGrasped nameno_grasp/GraspBall namegrasp_ball//Fallback/SequencePlaceBall nameball_placed//Sequence/BehaviorTree/root);int main()
{ BehaviorTreeFactory factory;// Register custom action nodes with the factoryfactory.registerNodeTypeFindBall(FindBall);factory.registerNodeTypePickBall(PickBall);factory.registerNodeTypePlaceBall(PlaceBall);// Register custom condition nodes with the factoryfactory.registerSimpleCondition(BallClose, std::bind(BallClose));factory.registerSimpleCondition(BallGrasped, std::bind(BallGrasped));// Create an instance of GripperInterfaceGripperInterface gripper;// Register a simple action node using the GripperInterface instancefactory.registerSimpleAction(GraspBall, std::bind(GripperInterface::close, gripper));// Create the behavior tree using the XML descriptionauto tree factory.createTreeFromText(xml_text);// Run the behavior tree until it finishestree.tickWhileRunning();return 0;
}
# Output
[⚓ FindBall ] found_ok
[ Close to ball: NO ]
[⚓ PickBall ] approach_ball
[ Grasped: NO ]
GripperInterface::close
[⚓ PlaceBall ] cube_placed 太好了您创建了一个更复杂的行为树此脚本表示机器人的拾取和放置操作由查找、拾取和放置球组成。让我们剖析一下
您已经创建了三个操作节点、 和 。这些类中的每一个都扩展并实现函数该函数记录操作的名称并返回 .FindBallPickBallPlaceBallSyncActionNodetick()NodeStatus::SUCCESS您已经定义了一个类该类表示机器人的抓手。它可以打开和关闭夹持器两个操作返回。GripperInterfaceNodeStatus::SUCCESS您已经定义了两个条件函数和 。这些功能表示机器人在捡球之前需要进行的检查。他们目前总是返回模拟球没有接近并且机器人还没有抓住球的场景。BallCloseBallGraspedNodeStatus::FAILUREXML 字符串定义行为树。它从一个序列节点开始该节点首先尝试找到球 。找到球后它会尝试拾取球这是由两个回退节点组成的另一个序列节点。第一个回退节点检查球是否接近 如果没有机器人将接近球 。第二个回退节点检查球是否被抓住如果没有机器人会抓住球。一旦球被捡起机器人就会放置球。xml_textFindBallBallClosePickBallBallGraspedGraspBallPlaceBall最后该函数注册自定义操作和条件节点创建 的实例使用 注册操作从 XML 文本创建树并在树运行时勾选树。mainGripperInterfaceGraspBallGripperInterface 此代码提供了机器人如何使用行为树执行一系列任务的实际演示并在此过程中进行检查。但是请注意当前条件始终返回 。为了使此示例更加逼真您可能需要根据机器人的实际状态及其环境更新这些条件。NodeStatus::FAILURE 这是这篇文章的总结您已经了解了行为树、其结构和组件甚至使用拾取和放置示例实现了复杂的树。 请继续关注我们的下一篇文章我们将把事情提升一个档次。我们将介绍 ROS2机器人操作系统 2与行为树的集成为您的机器人应用程序创建复杂、健壮和自适应行为开辟更多可能性。下一篇文章见 我希望这些信息对您有所帮助并且您发现它很有用。如果您有任何问题或意见请随时告诉我。感谢您的反馈并很乐意帮助回答您可能遇到的任何问题。感谢您抽出宝贵时间阅读本文。 我总是在LinkedIn上分享有趣的文章和更新所以如果您想随时了解情况请随时在平台上关注我。杰加特桑·尚穆甘 参考资料 1.行为树官方文档 2.机器人和人工智能中的行为树简介 3.导航2行为树
Nav2 Behavior Trees — Nav2 1.0.0 documentation (ros.org)
