MADER：多智能体与动态环境下的轨迹规划器

已被《IEEE机器人学汇刊》（T-RO）接收发表

单智能体	多智能体

引用

在使用 MADER 时，请引用 MADER：多智能体与动态环境下的轨迹规划器（pdf，视频)：

@article{tordesillas2020mader,
  title={{MADER}: 多智能体与动态环境下的轨迹规划器},
  author={Tordesillas, Jesus and How, Jonathan P},
  journal={IEEE机器人学汇刊},
  year={2021},
  publisher={IEEE}
}

基本设置

不使用 Docker

后端优化器为 Gurobi。请安装 Gurobi Optimizer，并在终端中输入 gurobi.sh 测试安装是否成功。如果遇到问题，请参阅 此部分。

然后只需运行以下命令：

cd ~/ && mkdir ws && cd ws && mkdir src && cd src
git clone https://github.com/mit-acl/mader.git
cd ..
bash src/mader/install_and_compile.sh      

脚本 install_and_compile.sh 将安装 CGAL v4.12.4、GLPK 以及其他 ROS 包（详情请查看脚本）。它还会编译该仓库。此 Bash 脚本假定您已在计算机上安装 ROS。

使用 Docker

按照 这些步骤 安装 Docker，并根据 这些步骤 移除对 sudo 的需求。然后按照以下步骤操作：

cd ~/ && mkdir ws && cd ws && mkdir src && cd src
git clone https://github.com/mit-acl/mader.git

对于 Gurobi，您需要从 Gurobi Web License Manager 下载 gurobi.lic 文件（更多信息请参见 这里）。未通过 WLS 获取的 gurobi.lic 文件 无法 在 Docker 中使用。将您的 gurobi.lic 文件放入 docker 文件夹，并执行以下命令：

cd ./mader/mader/docker
docker build -t mader . #这可能需要几分钟

构建完成后，运行 docker run --volume=$PWD/gurobi.lic:/opt/gurobi/gurobi.lic:ro -it mader。

docker container ls -a  #显示容器列表
docker rm $(docker ps -aq) #移除所有容器
docker image ls #显示镜像列表
docker image rm XXX #移除特定镜像

运行仿真

单智能体

roslaunch mader single_agent_simulation.launch #如果您使用 Docker，可以添加 rviz:=false（以禁用可视化）

现在您可以按下 G 键（或点击 RVIZ 顶部栏上的“2D 导航目标”选项），并点击无人机的任意目标点。

要运行多个单智能体仿真，并且在不同的随机环境中进行测试，您可以进入 scripts 文件夹并执行 python run_many_sims_single_agent.py。

多智能体

注意：对于大量智能体，MADER 的性能会随着您计算机可用 CPU 核心数的增加而提升。

打开四个终端，并运行以下命令：

roslaunch mader mader_general.launch type_of_environment:="dynamic_forest"
roslaunch mader many_drones.launch action:=start
roslaunch mader many_drones.launch action:=mader
roslaunch mader many_drones.launch action:=send_goal

（如果您想修改无人机半径，可以在 mader.yaml 中进行调整）。论文中展示的表格所使用的参数（无人机半径、最大速度等）也在论文相应章节中有详细说明。

章鱼搜索

您可以通过简单地运行以下命令来执行带有动态障碍物的章鱼搜索：

roslaunch mader octopus_search.launch

您应该会得到如下结果：

（请注意，章鱼搜索具有一定的随机性，因此每次运行可能会得到不同的结果）。

安装 Gurobi 时的问题：

如果您遇到以下错误：

“gurobi_continuous.cpp:(.text.startup+0x74): undefined reference to
`GRBModel::set(GRB_StringAttr, std::__cxx11::basic_string<char,
std::char_traits<char>, std::allocator<char> > const&)'”

解决方法是：

cd /opt/gurobi800/linux64/src/build  #请注意，文件夹名称 gurobi800 会根据 Gurobi 版本变化
sudo make
sudo cp libgurobi_c++.a ../../lib/

致谢：

本软件包使用了来自 DecompROS 仓库的部分 C++ 类（包含在 thirdparty 文件夹中）。

发布批准：该代码已于 2020 年 12 月获得波音公司的发布批准。

MADER 快速上手指南

MADER 是一个专为多智能体及动态环境设计的轨迹规划器，已发表于 IEEE T-RO。本指南将帮助中国开发者快速在本地或 Docker 环境中部署并运行该工具。

1. 环境准备

系统要求

• 操作系统: Ubuntu (推荐 18.04 或 20.04)
• ROS 版本: 需预先安装 ROS (Melodic 或 Noetic)，本指南假设 ROS 环境已配置完毕。
• 硬件建议: 多智能体仿真对 CPU 核心数敏感，核心数越多性能越好。

前置依赖

• 优化求解器 (必选): Gurobi Optimizer
  • 请前往官网下载并安装对应版本。
  • 安装完成后，在终端输入 gurobi.sh 测试是否安装成功。
  • 注意: 若使用 Docker，必须从 Gurobi Web License Manager 获取 gurobi.lic 许可证文件。
• 可选替代方案: 若无法使用 Gurobi，可配置为使用 NLOPT (需在编译前修改 CMake 配置)。

2. 安装步骤

您可以选择非 Docker 原生安装或Docker 安装。

方案 A：非 Docker 原生安装 (推荐熟悉 ROS 的用户)

执行以下命令创建工作空间、克隆代码并自动安装依赖（包括 CGAL v4.12.4, GLPK 等）及编译项目：

cd ~/ && mkdir ws && cd ws && mkdir src && cd src
git clone https://github.com/mit-acl/mader.git
cd ..
bash src/mader/install_and_compile.sh      

提示: 该脚本会自动处理大部分依赖安装，请确保网络连接正常。如遇国内网络问题，可考虑配置 Git 代理或使用镜像源加速 apt 和 pip。

方案 B：Docker 安装 (推荐追求环境隔离的用户)

1. 安装 Docker 并配置免 sudo 权限（参考 Docker 官方文档）。
2. 准备许可证: 将您的 gurobi.lic 文件放入 mader/docker 文件夹中。
3. 构建并运行容器:

cd ~/ && mkdir ws && cd ws && mkdir src && cd src
git clone https://github.com/mit-acl/mader.git
cd ./mader/mader/docker
docker build -t mader .
docker run --volume=$PWD/gurobi.lic:/opt/gurobi/gurobi.lic:ro -it mader

3. 基本使用

安装完成后，即可启动仿真测试。

单智能体仿真 (Single-Agent)

启动.launch 文件：

roslaunch mader single_agent_simulation.launch

(若使用 Docker 且无需图形界面，可添加参数 rviz:=false)

操作方法:

• 图形界面: 在 RVIZ 顶部栏点击 2D Nav Goal，然后在地图中点击任意位置作为无人机目标点。
• 命令行 (适用于 Docker): 在新终端进入容器 (docker exec -it [容器 ID] bash) 后运行：

  rostopic pub /SQ01s/term_goal geometry_msgs/PoseStamped '{header: {stamp: now, frame_id: "world"}, pose: {position: {x: 10, y: 0, z: 1}, orientation: {w: 1.0}}}'
  

多智能体仿真 (Multi-Agent)

需打开四个终端分别运行以下命令以启动动态森林环境下的多机协同：

# 终端 1: 启动主程序与环境
roslaunch mader mader_general.launch type_of_environment:="dynamic_forest"

# 终端 2: 启动无人机节点
roslaunch mader many_drones.launch action:=start

# 终端 3: 激活 MADER 规划器
roslaunch mader many_drones.launch action:=mader

# 终端 4: 发送目标指令
roslaunch mader many_drones.launch action:=send_goal

注: 如需修改无人机半径等参数，请编辑 mader.yaml 文件。

章鱼搜索演示 (Octopus Search)

测试带有动态障碍物的搜索功能：

roslaunch mader octopus_search.launch