src/robofsm/motion-control.cc

   1 /**
   2  * @file   motion-control.cc
   3  * @author Michal Sojka <sojkam1@fel.cvut.cz>, Petr Beneš
   4  * @date   Fri Mar 20 10:36:59 2009
   5  *
   6  * @brief
   7  *
   8  *
   9  */
  10
  11 //#define MOTION_DEBUG
  12
  13 #ifdef MOTION_DEBUG
  14     #define DBG(format, ...) ul_logdeb(format, ##__VA_ARGS__)
  15     #define DBGflush() fflush(stdout)
  16 #else
  17     #define DBG(format, ...)
  18     #define DBGflush()
  19 #endif
  20
  21 #include <sys/time.h>
  22 #include <time.h>
  23 #include "trgen.h"
  24 #include "balet.h"
  25 #include <robot.h>
  26 #include <pthread.h>
  27 #include <path_planner.h>
  28 #include <signal.h>
  29 #include <movehelper.h>
  30 #include <sharp.h>
  31 #include <unistd.h>
  32 #include <map.h>
  33 #include "robot_config.h"
  34 #include <robomath.h>
  35 #include <ul_log.h>
  36 #include "events.h"
  37
  38 UL_LOG_CUST(ulogd_motion_control); /* Log domain name = ulogd + name of the file */
  39
  40 #define MOTION_CONTROL
  41 #include "motion-control.h"
  42 #include "robot.h"
  43 #include <guard.hpp>
  44
  45 /* ULoPoS EKF */
  46 #include <ekf.h>
  47 #include <geom.h>
  48
  49 /* ULoPoS constants (-%-TEMPERATURE-%- dependent!) */
  50 #define SOUND_VELOCITY   (331.3+0.606*20)
  51 #define XCORR2METER      (SOUND_VELOCITY*(127.0/508.0)/3000.0)
  52 #define D_MAX            (XCORR2METER*508.0)
  53
  54 /*******************************************************************************
  55  * Controller thread and helper functions for that thread
  56  *******************************************************************************/
  57
  58 /**
  59  * If the distance of robot's estimated position from robot's
  60  * requested position if above this value, the robot lost and we try
  61  * to reset localization.
  62  */
  63 const float MAX_POS_ERROR_M = 0.25;
  64
  65 /**
  66  * If trajectory end is reached and robot's estimated position is
  67  * closer than this distance, the movement is considered as "done".
  68  */
  69 const float CLOSE_TO_TARGET_M = 0.1;
  70
  71 //Controller gains
  72 const struct balet_params k = {
  73   p_tangent:  3,                // dx gain
  74   p_angle: 2,                   // dphi gain
  75   p_perpen: 5                   // dy gain
  76 //   p_tangent:  0.2,           // dx gain
  77 //   p_angle: 0.15,             // dphi gain
  78 //   p_perpen: 1                // dy gain
  79 };
  80
  81 #define MOTION_PERIOD_NS (50/*ms*/*1000*1000)
  82 #define MEASURE_TIMEOUT_NS (100/*ms*/*1000*1000)
  83
  84 #define SIG_DO_CONTROL_NOW (SIGRTMIN+1)
  85
  86 // Global varibles
  87 struct MotionControlHandler {
  88 pthread_t thr_trajectory_follower;
  89 struct timeval tv_start; /**< Absolute time, when trajectory started. */
  90
  91 /** Stores the actually followed trajectory object */
  92 Trajectory *actual_trajectory;
  93 pthread_mutex_t actual_trajectory_lock;
  94 };
  95
  96 MotionControlHandler motion_handler;
  97
  98 // Trajectory recalculation
  99 sem_t recalculation_not_running;
 100 sem_t measurement_received;
 101
 102 /**
 103  * Determines way of thread_trajectory_follower() operation:
 104  * - 0 measurement doesn't work, controller invocation based on time (formerly CONFIG_OPEN_LOOP)
 105  * - 2 measurement works, controller invocation based on sem_post
 106  * - 1 measurement doesn't work and stop() was called
 107  */
 108 int measurement_ok = 0;
 109
 110
 111
 112 static void delete_actual_trajectory() {
 113         Trajectory *old;
 114         {
 115                 Guard g(motion_handler.actual_trajectory_lock);
 116                 old = motion_handler.actual_trajectory;
 117                 motion_handler.actual_trajectory = NULL;
 118         }
 119         robot.move_helper.send_speed(0,0);
 120         if (old) delete old;
 121 }
 122
 123 /** Sends events from follower thread to FSM. */
 124 static void notify_fsm(bool done, double error) {
 125         static bool done_sent;
 126         static bool lost_sent = false;
 127
 128         if (error > MAX_POS_ERROR_M) {
 129                 if (!lost_sent) {
 130                         lost_sent = true;
 131                         robot.sched.queue_event(robot.MOTION, new evTrajectoryLost());
 132                 }
 133         } else {
 134                 lost_sent = false;
 135                 if (done) {
 136                         if (error < CLOSE_TO_TARGET_M || !done_sent) {
 137                                 done_sent = true;
 138                                 robot.sched.queue_event(robot.MOTION, new evTrajectoryDone());
 139                         }
 140                 } else {
 141                         done_sent = false;
 142                 }
 143         }
 144 }
 145
 146 static void check_for_collision_in_future(Trajectory *traj, double current_time) {
 147         Pos future_pos;
 148         struct map *map = robot.map;
 149         int xcell, ycell;
 150         double x, y;
 151         bool valid;
 152 //      const double times[] = { 0.5, 0.3, 0.1 }; // seconds
 153         const double times[] = { 0.3, 0.4, 0.5, 0.7, 0.9, 1.1 }; // seconds
 154
 155
 156         for (unsigned i=0; i < sizeof(times)/sizeof(times[0]); i++) {
 157                 traj->getRefPos(current_time+times[i], future_pos);
 158
 159                 /* Ignore obstacles when turning */
 160                 if (fabs(future_pos.v) < 0.01)
 161                         continue;
 162
 163                 x = future_pos.x + cos(future_pos.phi)*ROBOT_AXIS_TO_FRONT_M;
 164                 y = future_pos.y + sin(future_pos.phi)*ROBOT_AXIS_TO_FRONT_M;
 165
 166                 ShmapPoint2Cell(x, y, &xcell, &ycell, &valid);
 167                 if (!valid)
 168                         continue;
 169                 if (map->cells[ycell][xcell].detected_obstacle > 0) {
 170                         if (sem_trywait(&recalculation_not_running) == 0) {
 171                                 robot.sched.queue_event(robot.MOTION, new evObstacle());
 172                                 break;
 173                         }
 174                 }
 175         }
 176 }
 177
 178 static void do_control() {
 179         double speedl, speedr;
 180
 181         double t;
 182         struct timeval tv;
 183
 184         // Calculate reference position
 185         /***FIXME:should not rely on system clock, the period is fixed***/
 186         gettimeofday(&tv, NULL);
 187         t = (double)(tv.tv_usec - motion_handler.tv_start.tv_usec) / 1000000.0;
 188         t += (tv.tv_sec - motion_handler.tv_start.tv_sec);
 189 /*
 190         // check for new trajectory to switch
 191         // only if the trajectory is already prepared
 192         if (switch_to_trajectory != NULL && t >= switch_time) {
 193                 pthread_mutex_lock(&switch_to_trajectory_lock);
 194
 195                 DBG("SWITCHING to new trajectory\n");
 196
 197                 go(switch_to_trajectory);
 198                 // nothing prepared now
 199                 switch_to_trajectory = NULL;
 200                 pthread_mutex_unlock(&switch_to_trajectory_lock);
 201         }
 202 */
 203         Guard g(motion_handler.actual_trajectory_lock);
 204         Trajectory *w = motion_handler.actual_trajectory;
 205         if (w) {
 206                 Pos ref_pos, est_pos, balet_out;
 207                 bool done;
 208
 209                 // Calculate reference position
 210                 gettimeofday(&tv, NULL);
 211                 t = (double)(tv.tv_usec - motion_handler.tv_start.tv_usec) / 1000000.0;
 212                 t += (tv.tv_sec - motion_handler.tv_start.tv_sec);
 213
 214                 // if switch_to_trajectory is being prepared, it can not stop calculation
 215                 // and start to count again, it could evoke overloading
 216                 if (robot.obstacle_avoidance_enabled)
 217                         check_for_collision_in_future(w, t);
 218
 219
 220                 done = w->getRefPos(t, ref_pos);
 221
 222                 if (ref_pos.omega > motion_handler.actual_trajectory->constr.maxomega)
 223                         DBG("Omega constraint problem %lf, max %lf -------------------- \n", ref_pos.omega, motion_handler.actual_trajectory->constr.maxomega);
 224                 {
 225                         Guard g(robot.lock_ref_pos);
 226                         robot.ref_pos.x = ref_pos.x;
 227                         robot.ref_pos.y = ref_pos.y;
 228                         robot.ref_pos.phi = ref_pos.phi;
 229                 }
 230                 robot.get_est_pos(est_pos.x, est_pos.y, est_pos.phi);
 231
 232 #ifdef MOTION_PRINT_REF
 233                 static double last_t;
 234                 if (t < last_t) last_t = t; // Switched to a new trajectory
 235                 ul_logdeb("rx=%5.02f ry=%5.02f, rphi=%4.0f v=%-4.02f  omega=%-4.02f, time=%lf dt=%lf \n", ref_pos.x, ref_pos.y, ref_pos.phi/M_PI*180, ref_pos.v, ref_pos.omega, t, t-last_t);
 236                 fflush(stdout);
 237                 last_t = t;
 238 #endif
 239
 240                 // Call the controller
 241                 double error;
 242                 error = balet(ref_pos, est_pos, k, balet_out);
 243                 speedl = balet_out.v - ROBOT_ROTATION_RADIUS_M*balet_out.omega;
 244                 speedr = balet_out.v + ROBOT_ROTATION_RADIUS_M*balet_out.omega;
 245                 notify_fsm(done, error);
 246         } else {
 247                 speedl = 0;
 248                 speedr = 0;
 249         }
 250
 251
 252         // Apply controller output
 253         robot.move_helper.send_speed(speedl, speedr);
 254 }
 255
 256 static inline void next_period(struct timespec *next, long long interval_ns) {
 257         next->tv_nsec += interval_ns;
 258         if (next->tv_nsec >= 1000000000) {
 259                 next->tv_sec++;
 260                 next->tv_nsec -= 1000000000;
 261         }
 262 }
 263
 264 /**
 265  * A thread running the controller.
 266  *
 267  * This (high priority) thread executes the motion control
 268  * algorithm. It calculates repference position based on actual
 269  * trajectory and current time. Then it calls "balet" controller to
 270  * close feedback.
 271  *
 272  * @param arg
 273  *
 274  * @return
 275  */
 276 void *thread_trajectory_follower(void *arg) {
 277         struct timespec next;
 278         int ret;
 279         struct sched_param param;
 280
 281         param.sched_priority = THREAD_PRIO_TRAJ_FOLLOWER;
 282         if (pthread_setschedparam(pthread_self(), SCHED_FIFO, &param) != 0)
 283                 perror("Warning: Cannot set RT priority for thread_prio_traj_follower()");
 284
 285         clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &next);
 286
 287         while (1) {
 288                 ret = sem_timedwait(&measurement_received, &next);
 289
 290                 if (ret == -1 && errno == ETIMEDOUT) {
 291                         next_period(&next, MOTION_PERIOD_NS);
 292                         if (measurement_ok) {
 293                                 if (measurement_ok == 2) {
 294                                         fprintf(stderr, "problem: measurement timeout!!!!!!!!!!!");
 295                                 }
 296                                 measurement_ok--;
 297                         }
 298                 } else {
 299                         next_period(&next, MEASURE_TIMEOUT_NS);
 300                         if (measurement_ok < 2) {
 301                                 measurement_ok++;
 302                         }
 303                 }
 304                 do_control();
 305         }
 306         return NULL;
 307 }
 308
 309 /**
 310  * Tells trajctory_follower to start moving along trajectory @c t.
 311  *
 312  * @param t Trajectory to follow.
 313  * @param append_time Relative time from the beginning of the @c actual_trajectory
 314  * when to append the new one
 315  */
 316 void go(Trajectory *t, double append_time) {
 317         Guard g(motion_handler.actual_trajectory_lock);
 318         Trajectory *old;
 319         if (motion_handler.actual_trajectory && append_time != 0) {
 320                 // trajectory only connects a new one in some specific time
 321                 if(!motion_handler.actual_trajectory->appendTrajectory(*t, append_time))
 322                         DBG("Can not append trajectory\n");
 323         } else {
 324                 // trajectory starts from zero time
 325                 old = motion_handler.actual_trajectory;
 326                 gettimeofday(&(motion_handler.tv_start), NULL);
 327                 motion_handler.actual_trajectory = t;
 328 #ifdef MOTION_LOG
 329                 t->logTraj(motion_handler.tv_start.tv_sec + 1e-6*motion_handler.tv_start.tv_usec);
 330 #endif
 331                 if (old)
 332                         delete(old);
 333         }
 334 }
 335
 336 /**
 337  * switches to newly calculated trajectory to go on it at specific time
 338  */
 339 /*void switch_trajectory_at(Trajectory *t, double time)
 340 {
 341         pthread_mutex_lock(&switch_to_trajectory_lock);
 342         switch_to_trajectory = t;
 343         switch_time = time;
 344         pthread_mutex_unlock(&switch_to_trajectory_lock);
 345
 346         struct timeval tv;
 347         gettimeofday(&tv, NULL);
 348         double tm = (double)(tv.tv_usec - tv_start.tv_usec) / 1000000.0;
 349         tm += (tv.tv_sec - tv_start.tv_sec);
 350         if (switch_time <= tm)
 351                 DBG("//// BAD SWITCH ////");
 352 }
 353 */
 354 void stop() {
 355         delete_actual_trajectory();
 356
 357         // Interrupt sem_timedwait() in thread_trajectory_follower(),
 358         // so we stop immediately.
 359         sem_post(&measurement_received);
 360 }
 361
 362 /**
 363  * Initializes motion controller.
 364  *
 365  *
 366  * @return Zero on success, non-zero otherwise.
 367  */
 368 int motion_control_init() {
 369         pthread_mutexattr_t mattr;
 370         int ret;
 371
 372         motion_handler.actual_trajectory = NULL;
 373         //switch_to_trajectory = NULL;
 374
 375
 376         ret = pthread_mutexattr_init(&mattr);
 377 #ifdef HAVE_PRIO_INHERIT
 378         ret = pthread_mutexattr_setprotocol(&mattr, PTHREAD_PRIO_INHERIT);
 379 #endif
 380         pthread_mutex_init(&(motion_handler.actual_trajectory_lock), &mattr);
 381
 382         sem_init(&recalculation_not_running, 0, 1);
 383
 384         // Trajectory follower thread
 385         sem_init(&measurement_received, 0, 0);
 386         ret = pthread_create(&(motion_handler.thr_trajectory_follower), NULL, thread_trajectory_follower, NULL);
 387         if(ret) {
 388                 perror("move_init: pthread_create");
 389                 goto err;
 390         }
 391
 392         return 0;
 393   err:
 394         return ret;
 395 }
 396
 397 void motion_control_done() {
 398         pthread_cancel(motion_handler.thr_trajectory_follower);
 399         pthread_join(motion_handler.thr_trajectory_follower, NULL);
 400
 401         robot.orte.motion_speed.right = 0;
 402         robot.orte.motion_speed.left = 0;
 403         ORTEPublicationSend(robot.orte.publication_motion_speed);
 404 }
 405
 406
 407 void get_future_pos(double rel_time_sec, Pos &pos, double &switch_time) {
 408         struct timeval tv;
 409
 410         gettimeofday(&tv, NULL);
 411         switch_time = (double)(tv.tv_usec - motion_handler.tv_start.tv_usec) / 1000000.0;
 412         switch_time += (tv.tv_sec - motion_handler.tv_start.tv_sec);
 413         switch_time += rel_time_sec;
 414
 415         pthread_mutex_lock(&(motion_handler.actual_trajectory_lock));
 416         if (motion_handler.actual_trajectory) {
 417                 motion_handler.actual_trajectory->getRefPos(switch_time, pos);
 418                 pthread_mutex_unlock(&(motion_handler.actual_trajectory_lock));
 419         } else {
 420                 // Robot doesn't move, so return current position
 421                 pthread_mutex_unlock(&(motion_handler.actual_trajectory_lock));
 422
 423                 robot.get_est_pos(pos.x, pos.y, pos.phi);
 424                 pos.v = 0;
 425                 pos.omega = 0;
 426         }
 427 }