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ROS SMACH 簡介


前言

這次想跟大家介紹一個好用的工具 - SMACH (唸法同 smash)。SMACH 的存在意義是為了讓大家可以用系統化的方式來撰寫機器人的行為。這個系統化的方式是 Finite State Machine,概念上跟之前介紹過的 ecto 的 graph 概念有點相似。

簡單來說,就是讓我們可以很方便地定義機器人的各種狀態,所以機器人就不再只是根據程式碼裡面寫定的一連串行為去行動,而可以根據各種不同的條件進行狀態的切換。舉例來說,一個掃地機器人平時處於掃地狀態時,他要做的事情就是移動跟吸塵,而當機器人看到障礙物的時候,就可以切換到避開障礙物的狀態,等到障礙物消失的時候,再切換到掃地狀態。

想要對 SMACH 有更具體的概念嗎? 可以看看這個影片:

video

雖然 SMACH 跟 ROS 可以一併使用,他的核心其實是一個跟 ROS 沒有關係的 Python library,是透過 smach_ros 來跟 ROS 的 topics, services 跟 actions 串接。

使用 SMACH 的幾大好處

我們雖然知道 Finite State Machine 可以建立由狀態來決定行為的程式,但除了這個之外還有幾個特點,讓我們可以在適當的時候使用 SMACH。

  • Task Hierarchy: state 可以由更多小 state 組成,建立複雜的行為
  • Task Priority: state 之間可以有優先權,有高優先權的 state 可以中斷低優先權的 state
  • Concurrency: 如果想要同時執行多項行為,也可以用 SMACH 來實現

SMACH 基本小程式

這邊我們用個簡單的範例來介紹要怎麼創造一個 state machine,首先呢,最重要的東西就是 state,在 SMACH 的語法規定中,每個 state 用一個 class 來寫,其中要包含 init 和 execute 兩個函式,實際執行的行為會被寫在 execute 函式裡面。

當每個 state 的行為都被定義好之後,剩下要寫的就只需要在 main 中,將各個 state 加入 SMACH 的 container (其實 state machine 就只是一個包含很多 state 的 container 而已) 就好。

在下面的範例中,只有兩個簡單的 state - FOO 和 BAR,他們的關係如下圖:

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#!/usr/bin/env python
import roslib; roslib.load_manifest('smach_tutorials')
import rospy
import smach
import smach_ros
# define state Foo
class Foo(smach.State):
def __init__(self):
smach.State.__init__(self, outcomes=['outcome1','outcome2'])
self.counter = 0
def execute(self, userdata):
rospy.loginfo('Executing state FOO')
if self.counter < 3:
self.counter += 1
return 'outcome1'
else:
return 'outcome2'
# define state Bar
class Bar(smach.State):
def __init__(self):
smach.State.__init__(self, outcomes=['outcome1'])
def execute(self, userdata):
rospy.loginfo('Executing state BAR')
return 'outcome1'
def main():
rospy.init_node('smach_example_state_machine')
# Create a SMACH state machine
sm = smach.StateMachine(outcomes=['outcome4'])
# Open the container
with sm:
# Add states to the container
smach.StateMachine.add('FOO', Foo(),
transitions={'outcome1':'BAR', 'outcome2':'outcome4'})
smach.StateMachine.add('BAR', Bar(),
transitions={'outcome1':'FOO'})
# Execute SMACH plan
outcome = sm.execute()
if __name__ == '__main__':
main()

總結

今天跟大家簡介了 SMACH 這個 package,也介紹了要怎麼寫一個非常小的 state machine,SMACH 可以做到相當複雜的行為,如果有興趣的話,可以去看看延伸閱讀中提供的教學,裡面有相當完整詳細的說明。

其實要撰寫比較複雜的機器人行為,除了 finite state machine 之外,behavior tree 跟 teer 都是常見的選擇,根據應用的不同可以選擇自己想要的方法。連結可以在延伸閱讀的地方找到喔!

延伸閱讀

  1. SMACH Tutorials
  2. ROS behavior tree package
  3. ROS teer package
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TechBridge Weekly 技術週刊編輯團隊

TechBridge Weekly 技術週刊團隊是一群對用技術改變世界懷抱熱情的團隊。本技術共筆部落格初期專注於Web前後端、行動網路、機器人/物聯網、資料科學與產品設計等技術分享。This is TechBridge Weekly Team Tech Blog, which focus on web, mobile, robot, IoT, Data Science technology sharing.

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