Моделирование рабочего пространства мобильного робота

Графический движок - основной задачей этой программы является визуализация (рендеринг) двухмерной или трехмерной компьютерной графики. Графический движок работает в режиме реального времени.

Физический движок - производит симуляцию физических законов реального мира в виртуальном мире с той или иной степенью точности.

Физический движок позволяет создать виртуальное пространство, в которое можно добавить виртуальные статические и динамические объекты и указать законы взаимодействия тел и среды. Расчет взаимодействия тел выполняется самим движком. Рассчитывая взаимодействие тел между собой и средой, физический движок приближает физическую модель получаемой системы к реальной, передавая уточненные геометрические данные графическому движку. В состав MRDS входит физический движок AGEIA PhysX Engine.

Объекты в симуляторе могут создавать иерархию, реализуя отношение предок / потомок. Например, манипулятор и сенсор являются дочерними объектами робота.

После запуска симулятора в нем отображается мир с позиции главной камеры, которая соответствует позиции глаза. Для управления камерой используются следующие клавиши клавиатуры:

? W - движение вперед;

? S - движение назад;

? A - передвижение влево;

? D - передвижение вправо;

? Q - перемещение вверх;

? E - перемещение вниз.

Можно использовать сочетания этих клавиш. Удерживая нажатой клавишу Shift одновременно с одной из клавиш управления камерой, вы ускорите движение камеры в 10 раз.

Доступны следующие команды (клавиши) управления симулятором:

? F2 - изменяет режим рендеринга;

? F3 - включает / выключает физический движок;

? F5 - переключение между режимами Run и Edit;

? F8 - переключение активной камеры.

Симулятор может работать в следующих двух режимах.

? Edit - в данном режиме возможно изменение сцены, параметров объектов, находящихся на сцене, добавление новых объектов в сцену;

? Run - в данном режиме запускается процесс симуляции;

? симулятор поддерживает следующие режимы отображения сцены;

? Visual - полностью отображаются все объекты сцены;

? WireFrame - отображаются только линии треугольников, из которых построены объекты сцены;

? Physics - отображаются фигуры, из которых построены объекты и с которыми работает физический движок. Сложные объекты иногда представляются в виде простых объектов, таких как кубы и сферы. Если некоторые объекты не сталкиваются или передвигаются случайным образом, нужно переключиться в указанный режим и проанализировать фигуры, составляющие объекты;

? Combined - объединяет режимы Visual и Physics (рис. 2.1).



Рисунок 2.1 - Режим Combined

Параллелепипед, размещенный внутри объекта, показывает центр масс. Если цвет параллелепипеда красный, то объект управляется вручную (т.е. является кинематическим), если - белый, то объект управляется физическим симулятором.

Настройки графического движка открываются после выбора пункта главного меню Render -> Graphics Settings. Рассмотрим параметры движка.

? Exposure - определяет значение экспозиции камеры. Увеличение значения экспозиции приводит к увеличению яркости сцены;

? Anti-aliasing - устанавливает значение сглаживания границ объектов;

? Rotation and Translation Movement Scale - используется для управления чувствительностью мыши и клавиатуры. С помощью указанных параметров можно настроить управление камерой мышью и клавиатурой так, что движение мыши в несколько миллиметров будет приводить к перемещению вдоль всего экрана;

? Quality level - выбор используемой версии шейдеров. Версия, которая поддерживается графической картой, отмечена как Recommend.

Время симуляции делится на дискретные промежутки, называемые фреймами. В каждом фрейме симулятор получает результаты обработки предыдущего фрейма из физического движка. Затем выполняется обновление каждого объекта сцены. После этого сцена отображается для каждой камеры, находящейся на сцене. В заключении сцена отображается для главной камеры, и физический движок переходит к обработке следующего фрейма.

Настройки физического движка открываются после выбора пункта главного меню PhysicsSettings. Рассмотрим параметры движка:

? Enable rigid body for default camera - позволяет связать с камерой физическое тело, имеющее форму сферы. В результате камера сможет взаимодействовать с объектами сцены (например, сталкиваться с ними). После установки данной опции камера будет отображаться в виде белого круга в центре экрана;

? Gravity - значение гравитации, действующей в симуляторе; определяется как сила, действующая вдоль оси Y. Данное значение является отрицательным, так как ось Y направлена в направлении, противоположном действия гравитации. Значение гравитации указывается в метрах в секунду;

? Time Base Run-time Settings - определяет отношение времени симулятора к реальному времени. Для повышения точности при перемещении робота необходимо уменьшить отношение времени симулятора к реальному времени. Для замедления времени в 10 раз в поле Real time Scale нужно установить значение 0.1;

Можно повысить точность симуляции, отведя на фрейм небольшой интервал времени, допустим, 60 микросекунд (0.00006) и отключив визуализацию. Рендеринг можно запускать периодически для просмотра сцены. Виртуальный мир может включать следующие объекты:

? динамические - находятся под контролем физического движка, после их создания их позиция и движение определяются только гравитацией и взаимодействием с другими объектами;

? кинематические - могут взаимодействовать с другими объектами, но их расположение определяется вручную. Допустим, в сцене можно разместить доску, висящую в воздухе. Если она была бы динамической, то упала на землю. Позицию кинематических объектов другие объекты изменить не могут;

? статические - в процессе симуляции не изменяют свою позицию и состоят из фигур с нулевой массой. Они могут взаимодействовать с другими объектами, но не могут изменять свое положение.

Сцена, находящаяся в симуляторе, может быть сохранена в XML-файл и затем загружена. При загрузке сцены все объекты получают то же местоположение и скорость, которые они имели при сохранении сцены. Для сохранения сцены используется пункт меню File ^ Save Scene, для загрузки - File ^ Load Scene.

При сохранении сцены записываются два файла: первый содержит состояние сцены и имеет расширение.xml, второй содержит манифест для сцены и заканчивается на.manifest.xml.

Редактор симулятора открывается при выборе пункта Mode ^ Edit главного меню окна. После запуска редактора окно будет содержать отображение сцены, список объектов сцены и свойства выделенного объекта (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Симулятор в режиме Edit

Объект можно отметить на сцене, если выделить его в списке объектов и нажать клавишу Ctrl. Если после выполнения данной операции камера не показывает объект, то можно использовать сочетания клавиш Ctrl, Shift и клавиш управления курсором для просмотра различных видов объекта:

? Ctrl + клавиша вверх: вид сверху;

? Ctrl + Shift + клавиша вверх: вид снизу;

? Ctrl + клавиша влево: вид справа;

? Ctrl + Shift + клавиша влево: вид слева;

? Ctrl + клавиша вправо: вид спереди;

? Ctrl + Shift + клавиша вправо: вид сзади.

Для перемещения выбранного объекта по сцене нужно выбрать направление движения в меню редактирования свойств (Move XYZ, Move XZ, Move X, Move Y, Move Z) и при нажатой левой кнопке мыши переместить курсор в нужном направлении. Также возможно указать точные координаты расположения объекта в том же меню. Подобным образом выполняется вращение объекта вдоль каждой из осей (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 - Меню управления объектом

Редактор предоставляет возможность загрузки, сохранения и добавления новых объектов. К объектам также можно применять операции вставки, копирования и удаления.

Физический движок корректирует перекрытие динамических объектов (в реальном мире невозможное). Добавьте в сцену несколько объектов с одинаковыми координатами и нажмите клавишу F3. В результате объекты будут размещены по свободному пространству сцены без перекрытия.

При вставке объекта в сцену можно указать предка для данного объекта, которым может быть один из объектов сцены. В результате симулятор будет рассматривать эти два объекта как единое целое.

Объект может обладать такими свойствами:

? Position, Rotation - определяют позицию и угол наклона объекта к каждой из осей координат;

? MeshScale/MeshTranslation/MeshRotation - позволяют упростить подгонку формы (сетки) объекта к самому объекту. Это связано с тем, что разные средства создания трехмерных объектов могут использовать разные направления осей и масштаб;

? Meshes - отображает информацию о сетках, загруженных для объекта. Сетка может быть создана из фигур, которые составляют объект, или загружена из.obj-файла. Также данное свойство позволяет изменять цвет, яркость и другие параметры объекта. Если были изменены параметры материала, их можно сохранить, используя пункт меню File -> Save Material Changes.

Свойства, определяющие освещенность объекта:

? Ambient - определяет, как объект отражает свет, поступающий из окружающей среды, т.е. свет, отраженный от поверхности других объектов;

? Diffuse - определяет, как свет будет отражаться от объекта, если он будет освещен рассеянным светом. Данная величина определяет максимальное значение света, которое будет отражено частью объекта, повернутой к источнику света. Если некоторая часть объекта размещена перпендикулярно источнику света, то она ничего отражать не будет. Диффузный свет позволяет видеть объекты трехмерными;

? Specular - определяет, как много света будет отражаться от объекта при его освещении отраженным светом, обычно используемым для создания эффекта освещения солнцем. Цвет отраженного света эквивалентен цвету света, а цвет диффузного света - цвету объекта;

? Power - определяет плотность отраженного пятна, большее значение параметра соответствует меньшему отражению.

Каждый объект имеет состояние, представляющее собой набор параметров:

а) Graphics Assets:

? Default Texture - если с объектом не связана сетка, определяющая ее форму, то она генерируется из физических фигур, составляющих объект. В этом случае указанное свойство определяет текстуру, которая накладывается на сгенерированную сетку. Текстура должна быть двумерной и находиться в одном из следующих форматов:.dds.bmp.png.jpg.tif;

? Mesh - файл, определяющий форму объекта. Формат файла - .obj или.bos. Симулятор для ускорения работы преобразует формат.obj в формат.bos и только после этого отображает объект. Для этого используется утилита Obj2Bos.exe.

б) Misc:

? Flags - определяет поведение объекта. Если флаги не определены, предполагается, что объект - динамический;

? Kinematic - кинематический объект;

? IgnoreGravity - на объект не имеет влияние гравитация;

? DisableRotationX, DisableRotationY, DisableRotationZ - запрещает вращение объекта вдоль указанных осей;

? DisableCollisions - объект не взаимодействует с другими объектами сцены;

? Name - имя объекта (должно быть уникальным). При изменении имени некоторые сервисы не смогут работать с данным объектом.

в) Motion:

? Angular Velocity - вектор угловой скорость перемещения объекта в каждом из направлений;

? Velocity - вектор скорости перемещения объекта в каждом из направлений.

г) Physical Properties:

? Mass/Density - масса и плотность объекта. Если хотя бы одна из фигур объекта имеет массу и плотность, то вычисляется масса и плотность всего объекта из суммы масс фигур, составляющих объект. Если сумма масс фигур равна нулю, симулятор использует величину Mass для определения массы объекта. Центр масс вычисляется так, как если бы плотность объекта была однородной. Указанные замечания также касаются и плотности объекта;

? Inertia Tensor - тензор моментов инерции, определяет насколько сложно повернуть фигуру в различных направлениях. Например, цилиндр просто повернуть около его продольной оси, но сложно повернуть около двух других осей, вследствие распределения масс. Если вектор не определен, симулятор вычисляет его на основе расположения и относительной массы фигуры объекта;

? Angular Damping/Liner Damping - данные параметры позволяют моделировать свойство трения. Большие значения данных параметров соответствуют более быстрому затуханию угловой или линейной скорости. При нулевом значении объект будет двигаться бесконечно до тех пор, пока не столкнется с другим объектом.

2.3 Управление роботом

В качестве шасси некоторых роботов используется дифференциальный привод. В состав такого привода входят два независимо управляемых колеса и пассивное (поворотное) колесо, используемое для баланса. Причина популярности такой конфигурации заключается в том, что ее использование позволяет сконструировать робота, который может развернуться на площади, по размеру не превышающей размеры робота.

В MRDS программный доступ к дифференциальному приводу робота реализован в виде сервиса GenericDifferentialDrive. По умолчанию данный сервис не связан с определенным приводом. Для соединения сервиса с приводом используется специальный файл, называемый манифестом. Одно из преимуществ MRDS заключается в том, что, разработав программу управления определенным роботом, можно использовать ее для управления другими роботами. Для этого достаточно будет изменить манифест, связывающий сервис и робота.

Рассмотрим действия сервиса GenericDifferentialDrive:

? AllStop - останавливает движение, прекращает все операции, выполняемые приводом, устанавливает величину подаваемой энергии на оба двигателя в 0 и выключает двигатели. Для повторного запуска робота необходимо вызвать метод EnableDrive, установив Enable в true;

? EnableDrive используется для разрешения или запрещения движения робота. Данное действие имеет один параметр логического типа. Если значение параметра - false, то запросы на управление движением выполняться не будут. Если привод выключается во время движения, он должен немедленно остановиться независимо от типа выполняемой операции;

? SetDrivePower устанавливает количество энергии, которое подается на правое (параметр RightWheelPower) и левое (параметр LeftWheelPower) колеса. Количество энергии может изменяться от -1.0 до 1.0 (тип double). Отрицательная величина указывает на то, что колеса должны вращаться назад, положительная - вперед. Каждый новый вызов действия изменяет значение энергии, поданной на колеса.

Возможны следующие варианты движения робота:

? движение вперед: LeftWheelPower > 0, RightWheelPower > 0, Left - WheelPower = RightWheelPower;

? движение назад: LeftWheelPower < 0, RightWheelPower < 0, Left - WheelPower = RightWheelPower;

? движение по дуге: LeftWheelPower Ф RightWheelPower (если на одно колесо робота подать большее количество энергии, чем на другое, то колесо, на которое подано больше энергии продвинется вперед дальше, чем колесо, на которое подано меньшее значение, в результате робот будет двигаться по дуге);

? вращение на месте: LeftWheelPower = - RightWheelPower. Установка значений энергии, подаваемой на оба колеса, в нулевое значение приводит к остановке робота. Для остановки роботу может понадобиться время. Между значением энергии, подаваемой на колеса, и скоростью робота нет прямой зависимости. Однако при больших значениях энергии колеса крутятся с большей скоростью. В ряде случаев робот может достигать своей максимальной скорости при значении энергии меньше 1.0, а при малых значениях энергии (например, 0.1) может не тронуться с места. Некоторые роботы поддерживают только дискретный набор уровней мощности, в ряде случаев возможно наличие лишь двух состояний двигателя - включено и выключено;

? SetDriveSpeed - устанавливает скорость движения робота в метрах в секунду;

? DriveDistance - устанавливает расстояние, на которое должен переместиться робот (в метрах).

Параметры действия:

? Distance - расстояние в метрах, на которое должен переместиться робот (тип double);

? Power - количество энергии, подаваемое на колеса (см. действие SetDrivePower);

? параметр DriveDistanceStage при вызове действия DriveDistance должен быть установлен в DriveStage. InitialRequest. Данный параметр используется для отображения процесса выполнения операции. Любой запрос на движение (включая DriveDistance) отменяет DriveDistance [3]. Однако некоторые роботы не могут прервать начатое движжение;

? RotateDegrees - используется для поворота робота на месте на указанный угол (в градусах). Положительный угол означает движение влево или против часовой стрелки относительно центра робота, если смотреть сверху.

Параметры действия:

? Degrees - угол, на который выполняется поворот;

? Power - количество энергии, подаваемой на оба колеса;

? параметр RotateDegreesStage должен быть установлен в DriveStage. InitialRequest.

Сервис GenericDifferentialDrive генерирует ряд уведомляющих сообщений, с помощью которых возможен анализ процесса выполнения блоком команд.

Связать сервис GenericDifferentialDrive с приводом робота (моделью робота в симуляторе) можно следующим образом:

? Выбрать сервис GenericDifferentialDrive на диаграмме.

? Выбрать в окне Properties в поле Configuration пункт Use a manifest.

Нажать кнопку Import и выбрать в открывшемся окне пункт IRobot. Create. Simulation. Manifest.xml (рис. 2.4). Выбранный манифест определяет робота, который будет добавлен в симулятор. После выполнения указанных действий окно Properties должно выглядеть, как показано на рисунке 2.5 [8].



Рисунок 2.4 - Список манифестов

Рисунок 2.5 - Установка параметров сервиса

3. Моделирование рабочего пространства средствами MRDS

3.1 Создание рабочей сцены средствами MRDS

Для создания сцены MRDS необходимо запустить Visual Simulation Enviroment (VSE) и перейти в режим Edit, т.е. в режим редактора симулятора. Редактор симулятора открывается при выборе пункта Mode > Edit главного меню окна. После запуска редактора окно будет содержать отображение сцены, список объектов сцены и свойства выделенного объекта (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Пустое окно Microsoft Visual Simulation Enviroment

Далее необходимо создать основные объекты сцены, такие как небо (sky) и землю (ground). Элемент MainCamera тоже является основным объектом, который является активным по умолчанию.

Для создания объекта sky необходимо выбрать пункт меню Entity > New. В появившемся окне, в списке Entity Type выберите элемент SkyEntity и нажать ok (рис. 3.2).



Рисунок 3.2 - Вставка элемента Sky в сцену

В появившемся окне все настройки оставляем без изменений и нажимаем ok (рис 3.3).

Рисунок 3.3 - Параметры элемента

Затем необходимо повторить процедуру для создания объекта ground. в списке Entity Type выберите элемент HightFialdEntity и нажать ok.

Рисунок 3.4 - Вставка элемента Ground в сцену

В появившемся окне также не изменяем настройки и нажимаем ок. Затем необходимо выделить появившийся объект HightFieldEntity и нажать кнопку Edit Entity для изменения свойств этого объекта (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 - Панель свойств объекта симулятора в режиме Edit

В появившемся окне (рис. 3.6) в свойстве Flags устанавлиеваем флаг Grround, затем в свойстве EntityState нажимаем на клавишу «…».



Рисунок 3.6 - Параметры элемнта Ground

В появившемся окне (рис. 3.7) в свойстве Default Texture нажимаем на клавишу (…) и выбираем файл с необходимой нам структурой. Файл должен иметь разрешение.jpg или.dds. После этого в свойстве Name пишем имя объекта: Ground и нажимаем кнопку ок.

Рисунок 3.7 - Свойства объекта Ground

В результате проделанных действий появится готовая сцена с начальными объектами (рис. 3.8).

Рисунок 3.8 - Рабочая сцена

По завершению необходимо сохранить созданную сцену. Сцена, находящаяся в симуляторе, может быть сохранена в XML-файл и затем загружена. При загрузке сцены все объекты получают то же местоположение и скорость, которые они имели при сохранении сцены. Для сохранения сцены используется пункт меню File > Save Scene, для загрузки - File > Load Scene.

3.2 Создание объекта пространства

Создание объектов в среде Microsoft Robotic Studio не представляется возможным, поэтому объекты необходимо разрабатывать в другой среде. Для этого будет использована программная среда Autodesk 3ds Max (рис. 3.9).

В качестве контрольного примера будет создан стол. Для этого необходимо создать стандартный объект Box и задать его размеры в поле Parameters (рис. 3.10). Этот объект будет служить поверхностью стола.



Рисунок 3.9 - Программная среда Autodesk 3ds Max

Рисунок 3.10 - Создание объекта Box c заданием его параметров

Для создания ножек стола необходимо преобразовать объект Box. Для этого в поле Modifier List необходимо выбрать пункт Edit Poly и подпункт Polygon (рис. 3.11).



Рисунок 3.11 - Поле Modifier List

Затем на объекте необходимо выбрать полигоны которые будут служить ножками стола (рис. 3.12).

Рисунок 3.12 - Выбор полигонов

Далее для преобразования полигонов необходимо в свойстве Extude задать длину, а затем в поле Beve - коэффициент сужения ножек. Так как стол создавался перевернутым нужно задать его правильное положение. Для этого необходимо на панели инструментов нажать правой клавишей мыши на инструмент Select and Rotate и в поле Y задать значение 180^о (рис. 3.13).



Рисунок 3.13 - Создание ножек стола

Для использования этого объекта в программной среде Microsoft Robotic Studio необходимо экспортировать его в формате.obj.

Литература

1. Юревич, Е.И. Основы робототехники [Текст]: / Е.И. Юревич. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 416 с.

2. Попов, Е.П. Основы робототехники: введение в специальность [Текст] / Г.В. Письменный, Е.П. Попов.? М.: Высшая школа, 1990. ? 286 с.

3. Тимофеев, А.В. Адаптивные робототехнические комплексы [Текст] /А.В. Тимофеев. - СПб.: Машиностроение, 1988. - 332 с.

4. Майер, Р.В. Компьютерное моделирование: Моделирование как метод научного познания. Компьютерные модели и их виды [Текст] / Р.В. Майер. - Киров: ВятГГУ, 2012. - 23 с.

5. Тарасевич, Ю.Ю. Математическое и компьютерное моделирование [Текст]: учеб. / Ю.Ю. Тарасевич. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 152 с.

6. \Бронников, А.И. Моделирование рабочего пространства и сенсорных систем робота / А.И. Бронников // Системи обробки інформації. - 2012. - №9. - С. 10-14.

7. Kyle Johns Professional Microsoft Robotics Developer Studio [Text] / Johns Kyle, Taylor Trevor. - Indianapolis.: Whiley Publish, 2008. - 826 p.

8. Гай, В.Е. Microsoft Robotics Developer Studio. Программирование алгоритмов управления роботами [Текст] / В.Е. Гай. - М.: ЭКОМ Паблишерз, 2012. - 184 с.

9. Методичні вказівки до виконання розділу «Охорона праці» у випускних роботах ОКР «бакалавр» усіх форм навчання / Упоряд.: Б.В. Дзюндзюк, В.А. Айвазов, Т.Є. Стиценко. - Харків: ХНУРЕ, 2012. - 28 с.

10. Методичні вказівки до випускної кваліфікаційної роботи рівня «Бакалавр» для студентів усіх форм навчання спеціальності 8.091402 «Гнучкі комп'ютеризовані системи та робототехніка» / Упоряд.: Є.І. Литвинова, О.М. Цимбал - Харків: ХНУРЕ. - 2008. - 48 с.

11. Сибаров Ю.Г. и др. Охрана труда в вычислительных центрах / Ю.Г. Сибаров. - М.: Машиностроение, 1985. - 185 с.

12. ГОСТ 34.601-90 - Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания. - К.: Держстандарт України, 1990.

13. Державний стандарт України 3008-95. Документація. Звіти у сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення. - К.: Держстандарт України, 1995.

14. ДСТУ ГОСТ 7.1:2006. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. БИБЛИОГРАФИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ. БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ. Общие требования и правила составления. - К.: Держстандарт України, 2006.

15. Загальні методичні вказівки з дипломного проектування в університеті / Упоряд.: П.С. Ковтун, З.В. Дудар, В.Я. Журавльов, О.С. Шкіль. - Харків: ХНУРЕ, 2002. - 44 с.

16. ДСТУ 3008-95. Документація. Звіти в сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення [Текст]. - К.: Держстандарт України, 1995. - 36 с.

17. ГОСТ 7.1-2003. Бібліографічний запис. Бібліографічний опис. Загальні відомості та правила складання [Текст]. - Держспоживстандарт України, 2007. - 47 с.

18. Дзюндзюк, Б.В. Методичні вказівки до виконання розділу «Охорона праці» у випускних роботах ОКР «бакалавр» усіх форм навчання [Текст] / Упоряд.: Б.В. Дзюндзюк, В.А. Айвазов, Т.Є. Стиценко. - Харків: ХНУРЕ, 2012. - 28 с.

19. Цимбал, О.М. Методичні вказівки до випускної кваліфікаційної роботи рівня «Бакалавр» для студентів усіх форм навчання спеціальності 8.091402 «Гнучкі комп'ютеризовані системи та робототехніка» [Текст] / Упоряд.: О.М. Цимбал - Харків: ХНУРЕ, - 2012. - 48 с.

Размещено на Allbest.ru