Проектирование и моделирование роботов в среде

Дин-Софт РобСим 5

Евстигнеев Д.В.

RobSim – средство моделирования и проектирования роботов

RobSim – средство моделирования и проектирования роботов

Дин-Софт РобСим 5Дин-Софт РобСим 5

1. Дин-Софт – личный бренд Евстигнеева Д.В., как индивидуального предпринимателя.

2. НИКИМТ ИТУЦР, совместно с которым разрабатывался RobSim4, сделал свой RobSim5.

3. Чтобы не путать робсимы, новый РобСим будет называться «Дин-Софт РобСим 5».

В чем различия нового RobSim5 и старого RobSim4

В чем различия нового RobSim5 и старого RobSim4

• Цель – быстрое моделирование роботов

• Не работает на новых операционных системах

• Цель – обучение проектированию роботов, включая электрические схемы и программное обеспечение

• Полностью переделанный графический и физический движок, адаптированный под новые и старые компьютеры

Старый RobSim4 Новый Дин-Софт РобСим 5

Что нового в Dyn-Soft RobSim 5?Что нового в Dyn-Soft RobSim 5?

По-прежнему для разработки моделей используется3D Studio MAX, однако с новым, более удобным плагином

База данных компонентовБаза данных компонентов

Двигатели, датчики и прочие устройства выбираются исключительно из базы данных

В базе данных есть изображение изделия, цена, ссылка на документацию и

продавца

Студенты больше не могут делать микродвигатели с мощность ракеты «Протон»

Редактор электрических схем и подключенийРедактор электрических схем и подключений

Цель нововведения -студенты должны понимать

внутреннее устройство робота

Редактор структурных схем программного обеспеченияРедактор структурных схем программного обеспечения

Разделение задач между пультом управления, бортовой

ЭВМ и микропроцессорами приводного уровня

Редактор печатных плат и их принципиально-электрических схем

Редактор печатных плат и их принципиально-электрических схем

Редактор структурных схем программного обеспечения для микропроцессоров

Редактор структурных схем программного обеспечения для микропроцессоров

Настройка и использование аппаратных ресурсов

микропроцессоров

Редактор пульта управленияРедактор пульта управления

Особенности редактора структурных схем программного обеспечения

Особенности редактора структурных схем программного обеспечения

• Наличие типов данных(bool, char, short, int, float, double, и т.д.) Актуально при разработке ПО для микропроцессоров

• Дробная и целочисленная реализация звеньев ТАУАктуально для создания быстродействующих регуляторов

• Учет быстродействия и объема памяти микропроцессоровАктуально для микропроцессоров

• Организация протоколов обмена даннымиПостроение протоколов обмена данными по WiFi, COM-портам, RS-485 и т.п.

• Управление аппаратными ресурсами моделируемых ЭВМИзучение микропроцессоров, не программируя их.

Возможность моделирования алгоритмов интеллектуального управления

Возможность моделирования алгоритмов интеллектуального управления

• Стереозрение

• «Детектор дороги» по изображению с одной камерына подобии системы управления БПЛА в НИР «Бластер»

• Дальномеры

• Инерциальная система

• Модуль GPS/ГЛОНАСС

Источники сенсорной информации:

Интеллектуальные системы на базе:

• Построитель локальной карты местности

• Нечеткая логическая система

• Виртуальная машина с компилятором языка JavaScriptПростой С++-подобный объектно-ориентированный язык для написания алгоритмов поведения

• DLL-пользователя на C++ или Delphi

Режим испытания

Испытания робота на тестовых сценах

Режим «Игра»

Игру можно пройти только на

работающем роботе

• Расширения OpenGL

• Совместимость со старыми и новыми компьютерами

• Мультитекстурирование

• Статические и динамические тени

• Эффект отражения мира

• Эффект Bump

• Эффект Reflection

• Эффекты воды и травы

• и пр.

Качественная 3D-графикаКачественная 3D-графика

Роботом теперь управляет виртуальный операторРоботом теперь управляет виртуальный операторОператор может подойти к роботу, включить его или выключить.

Иногда, оператора даже видно в камере роботаОператор может подойти к роботу, включить его или выключить.

Иногда, оператора даже видно в камере робота

Структура Dyn-Soft RobSim 5Структура Dyn-Soft RobSim 5

3D Studio MAXБаза данных электронных компонентов

Редактор электрических

схем и подключений

Редактор печатных плат

Редактор принципиально-электрических

схем Редактор алгоритмов

программного обеспечения

Внешние плагины

Модуль3D-визуализации

Сцены

Роботы

Игровой сюжет

Звуки и музыкаФильмы и слайд-шоу

СхемыСхемы

Схемы

Текстуры

Средства разработки

Защита от «Списывания» студентовЗащита от «Списывания» студентов

1.Каждый студент называет робота своей фамилией.

2.Первое название, под которым сохранен робот, запоминается в файле модели.

3.При запуске проверяется соответствие названия файла и его первого названия. Если они не совпадают, то в режиме «Испытания» выдается предупреждение, а режим «Игра» не запускается.

4.В результате, если робот студента при запуске выдает предупреждение, то робота он делал не самостоятельно.

5.Если студент Иванов сдает робота, который называется Петров, то также факт «списывания» на лицо.

Документация и учебные пособияДокументация и учебные пособия

ПРОЕКТИРОВАНИЕРОБОТОВ

И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХСИСТЕМ

Методические указанияпо проведению

лабораторных работ

ПРОЕКТИРОВАНИЕРОБОТОВ

И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХСИСТЕМ

Методические указанияпо проведению

лабораторных работ

Проектирование роботови робототехнических

систем в средеDyn-Soft RobSim 5

Учебное пособие

Евстигнеев Д.В.

Проектирование роботови робототехнических

систем в средеDyn-Soft RobSim 5

Учебное пособие

Евстигнеев Д.В.

Разработкатрехмерных моделей

в 3D Studio MAX

Учебное пособие

Евстигнеев Д.В.

Разработкатрехмерных моделей

в 3D Studio MAX

Учебное пособие

Евстигнеев Д.В.

Особенности распространенияОсобенности распространения

• Модуль 3D-визуализации –распространяется бесплатно.

• Средства разработки –на платной основе, защита от копирования.

• Модуль 3D-визуализации –распространяется бесплатно.

• Средства разработки –на платной основе, защита от копирования.

Для сотрудников каф.ПУ, и студентов каф.ПУ по специальным спискам распространяется бесплатно. Необходимо подать заявку через сайт

Официальный сайт:

http://robsim.dynsoft.ru

Физический движок Дин-Софт РобСим 5

Обзор физических движковОбзор физических движков• В Дин-Софт РобСим 5 собственный физический движок.

• Физический движок – самостоятельная программная библиотека (обычно с интерфейсом на С++) для создания и моделирования физических взаимодействий объектов и механизмов в реальном времени.

• Физический движок – это не программный комплекс типа Euler, UmLab и т.п.

• В Дин-Софт РобСим 5 собственный физический движок.

• Физический движок – самостоятельная программная библиотека (обычно с интерфейсом на С++) для создания и моделирования физических взаимодействий объектов и механизмов в реальном времени.

• Физический движок – это не программный комплекс типа Euler, UmLab и т.п.

• ODE (игра «С.Т.А.Л.К.Е.Р.»).– Бесплатный физ.движок.– Проблемы: на простейших примерах показывает свою

несостоятельность.

• PhyX (игра «МЕТРО 2033»).– Условно бесплатный.– Аппаратная поддержка на видеокартах NVIDIA и игровых приставках

XBox 360.– Проблемы: Ограниченный такт моделирования. Отсутствие поддержки

сложных механизмов. Подходит только для игр.• Havok (игры «Control-Strike», «Half Life 2»).

– Так и не попробовал. Проблемы те же, что и у PhyX.

• ODE (игра «С.Т.А.Л.К.Е.Р.»).– Бесплатный физ.движок.– Проблемы: на простейших примерах показывает свою

несостоятельность.

• PhyX (игра «МЕТРО 2033»).– Условно бесплатный.– Аппаратная поддержка на видеокартах NVIDIA и игровых приставках

XBox 360.– Проблемы: Ограниченный такт моделирования. Отсутствие поддержки

сложных механизмов. Подходит только для игр.• Havok (игры «Control-Strike», «Half Life 2»).

– Так и не попробовал. Проблемы те же, что и у PhyX.

Структура звена – главного элемента физ.движка

Структура звена – главного элемента физ.движка

• Масса• Локальный центр масс• Матрица тензора инерции• Радиус описанной сферы

звена• Радиус описанной сферы

модели

Иерархия привязанных

геометрических объектов

Основной объект звена

……

Массив объектов «Тело» (поверхностей столкновения),

аппроксимирующих звено

Дочерние звенья

…

Массив устройств(Двигатели, датчики и т.п.)

Свойства звена

Дин. Параметры звена

• Масса иерархии звеньев.• Глобальный центр масс

иерархии звеньев.• Вектор вращательных и

поступательных ускорений.

• Вектор вращательной и поступательной скорости.

• Матрица мирового преобразования 4x4.

Типы звеньев и механизмовТипы звеньев и механизмовМодель(6 степеней свободы)

Ось

Линейное звено

Пружина

Демпфер

4-х звенный механизм

3-х звенный механизм

КолесоГусеница

Управляемые двигателями

Формируются автоматически путем анализа иерархии звеньев, заданной пользователем

Типы поверхностей столкновенияТипы поверхностей столкновения

box

сфера

цилиндр

капсула

mesh

-++++

+++++

+++++

+++++

+++++

Алгоритм расчета динамикиАлгоритм расчета динамики

1. Расчет электрических схем

2. Обновление центров масс объектов

3. Приложение сил и моментов

4. Расчет скоростей звеньев

5. Расчет столкновений

6. Расчет положений звеньев

7. Расчет кинематики

1. Расчет электрических схем1. Расчет электрических схем• Метод эквивалентного генератора

• Способ моделирования цифровых сигналовс частотой выше частоты тактов моделирования:– Расчет по логической «1».– Расчет по логическому «0».– Учет логической формы сигнала (ШИМ, данные RS-

232 и т.п.)

+ - R

U, GU0, G0

typesignal

2. Обновление центров масс2. Обновление центров масс

ii

iii

m

mpC

3. Приложение сил и моментов3. Приложение сил и моментов

iiij

iij

rfM

fF

fiM2r2 M1

r1

r0F0

M0

Применяется эквивалентная схема распределения усилий по звеньям робота.

Ур.Лагранжа II рода

4. Расчет скоростей4. Расчет скоростей• Расчет ускорений, вызванных приложенными силами

(a=F/m; =M/J)– К массам и инерциям добавляется инерция двигателей.

• Добавление к ускорению следующих ускорений:– Ускорения свободного падения;– Центробежного ускорения;– Ускорений, вызванных движением родительского звена.

• Учет сил и моментов трения.– Сила (момент) трения покоя (противодействует

действующей силе, если скорость близка к нулю).– Динамическая сила (момент) трения.

• Интегрирование ускорений, расчет скоростей( v = v0 + a·t; ω = ω0 + ·t ).

5. Расчет столкновений5. Расчет столкновенийОптимизация поиска столкновений

Разбиение объектов сцены на модели:Разбиение объектов сцены на модели:Если сферы, описывающие модели, пересекаются, тогда производится детальный поиск.

Разбиение моделей на звенья:Разбиение моделей на звенья:Если сферы, описывающие звенья, пересекаются, только тогда производится детальный поиск

Использование сфер объектов «Тело»:Использование сфер объектов «Тело»:Если сферы, описывающие тела, пересекаются, только тогда производится поиск столкновения двух тел

Оптимизация поиска столкновения в Оптимизация поиска столкновения в Mesh:Mesh:

Использование сферы всего Mesh, сферы группы полигонов, сферы полигона. Заранее просчитаны параметры уравнения плоскости полигонов

Алгоритм расчета столкновенийАлгоритм расчета столкновений• Поиск точек столкновения тел.

• Вычисление эквивалентной массы и импульса в каждой точке столкновения.

• Понятие «кожа» для демпфирования столкновений

• Поиск эффективной точки столкновения, как средневзвешенного положения всех точек столкновения звеньев (взвешивание величиной импульса).

• Поиск эквивалентной массы и скоростей в эффективной точке столкновение и расталкивание (по скорости и по положению) группы звеньев по формулам нецентрального удара.

P1

P2P3

P4

ii

iii

P

Paa

v1, m1v2, m2

6. Расчет положений6. Расчет положений

• Интегрирование скоростей, расчет положений (p=p0 + v·t; φ= φ0 + ω·t)

• Учет ограничений на перемещение звеньев

7. Расчет кинематики7. Расчет кинематики

• Расчет кинематики сложных механизмов

Режим «сна»Режим «сна»

• Как и в большинстве физических движков (PhyX, ODE), в Дин-Софт РобСим 5 применяется режим «Сна» звеньев.

• Позволяет не производить расчет динамики объектов, которые находятся в состоянии покоя.

Официальный сайт:

http://robsim.dynsoft.ru