Презентация Dyn

Проектирование и
моделирование
роботов в среде
Дин-Софт РобСим 5
Евстигнеев Д.В.
RobSim – средство моделирования и
проектирования роботов
Дин-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
Старый RobSim4
Новый Дин-Софт РобСим 5
• Цель – быстрое
моделирование роботов
• Цель – обучение
проектированию
роботов, включая
электрические схемы и
программное
обеспечение
• Не работает на новых
операционных системах
• Полностью
переделанный
графический и
физический движок,
адаптированный под
новые и старые
компьютеры
Что нового в Dyn-Soft RobSim 5?
По-прежнему для
разработки моделей
используется
3D Studio MAX,
однако с новым,
более удобным
плагином
База данных компонентов
В базе данных есть
изображение изделия, цена,
ссылка на документацию и
продавца
Двигатели, датчики и прочие устройства выбираются
исключительно из базы данных
Студенты больше не могут делать микродвигатели с мощность ракеты «Протон»
Редактор электрических схем и подключений
Цель нововведения студенты должны понимать
внутреннее устройство
робота
Редактор структурных схем
программного обеспечения
Разделение задач между
пультом управления, бортовой
ЭВМ и микропроцессорами
приводного уровня
Редактор печатных плат и их
принципиально-электрических схем
Редактор структурных схем программного
обеспечения для микропроцессоров
Настройка и использование
аппаратных ресурсов
микропроцессоров
Редактор пульта управления
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 ТАУ
Актуально для создания быстродействующих
регуляторов
•
Учет быстродействия и объема памяти
микропроцессоров
Актуально для микропроцессоров
•
Организация протоколов обмена данными
Построение протоколов обмена данными по WiFi,
COM-портам, RS-485 и т.п.
•
Управление аппаратными ресурсами
моделируемых ЭВМ
Изучение микропроцессоров, не программируя их.
Возможность моделирования алгоритмов
интеллектуального управления
Источники сенсорной
информации:
• Стереозрение
Интеллектуальные
системы на базе:
• Построитель локальной
карты местности
• «Детектор дороги» по
изображению с одной
камеры
• Нечеткая логическая
система
• Дальномеры
• Виртуальная машина с
компилятором языка
JavaScript
на подобии системы управления
БПЛА в НИР «Бластер»
• Инерциальная система
• Модуль GPS/ГЛОНАСС
Простой 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
Качественная 3D-графика
• 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.
Роботом теперь управляет виртуальный оператор
Оператор может подойти к роботу, включить его или выключить.
Иногда, оператора даже видно в камере робота
Структура Dyn-Soft RobSim 5
Фильмы и слайд-шоу
Игровой сюжет
Модуль
3D-визуализации
Звуки и музыка
Текстуры
Сцены
База данных
электронных
компонентов
Редактор
печатных плат
Редактор
принципиальноэлектрических
схем
Средства
разработки
3D Studio MAX
Роботы
Редактор
электрических
схем и
подключений
Редактор
алгоритмов
программного
обеспечения
Внешние
плагины
Схемы
Схемы
Схемы
Защита 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 пособия
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РОБОТОВ
И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Проектирование роботов
и робототехнических
систем в среде
Dyn-Soft RobSim 5
Методические указания
по проведению
лабораторных работ
Учебное пособие
Разработка
трехмерных моделей
в 3D Studio MAX
Учебное пособие
Евстигнеев Д.В.
Евстигнеев Д.В.
Особенности распространения
• 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 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.
• 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
Свойства звена
•
•
•
•
Масса
Локальный центр масс
Матрица тензора инерции
Радиус описанной сферы
звена
• Радиус описанной сферы
модели
Массив устройств
(Двигатели, датчики и т.п.)
Дочерние звенья
…
Иерархия
привязанных
геометрических
объектов
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.
…
Основной объект
звена
…
Массив объектов «Тело»
(поверхностей столкновения),
аппроксимирующих звено
Типы звеньев и механизмов
Модель
(6 степеней свободы)
Ось
Управляемые
двигателями
Линейное
звено
4-х звенный
механизм
3-х звенный
механизм
Формируются автоматически путем
анализа иерархии звеньев,
заданной пользователем
Гусеница
Колесо
Пружина
Демпфер
Типы поверхностей столкновения
box
сфера
цилиндр
капсула
mesh
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
Алгоритм расчета динамики
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Расчет электрических схем
Обновление центров масс объектов
Приложение сил и моментов
Расчет скоростей звеньев
Расчет столкновений
Расчет положений звеньев
Расчет кинематики
1. Расчет электрических схем
• Метод эквивалентного генератора
• Способ моделирования цифровых сигналов
с частотой выше частоты тактов
моделирования:
– Расчет по логической «1».
– Расчет по логическому «0».
– Учет логической формы сигнала (ШИМ, данные RS232 и т.п.)
U, G
U0, G0
type
signal
+
-
R
2. Обновление центров масс
 p m
C
m
i
i
i
i
i
3. Приложение сил и моментов
Ур.Лагранжа II рода
Fj   f i
i
M j   f i  ri
Применяется эквивалентная схема
распределения усилий по звеньям робота.
i
fi
r2
M2
M1
r1
F0
r0
M0
4. 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 столкновений
Оптимизация поиска столкновений
Разбиение объектов сцены на модели:
Если сферы, описывающие модели,
пересекаются, тогда производится детальный
поиск.
Разбиение моделей на звенья:
Если сферы, описывающие звенья, пересекаются,
только тогда производится детальный поиск
Использование сфер объектов «Тело»:
Если сферы, описывающие тела,
пересекаются, только тогда производится поиск
столкновения двух тел
Оптимизация поиска столкновения в
Mesh:
Использование сферы всего Mesh, сферы
группы полигонов, сферы полигона. Заранее
просчитаны параметры уравнения плоскости
полигонов
Алгоритм расчета столкновений
• Поиск точек столкновения тел.
P1
P2
P3
P4
• Вычисление эквивалентной массы и импульса в
каждой точке столкновения.
• Понятие «кожа» для демпфирования
столкновений
a
 a i  Pi
i
P
i
i
v2, m2
v1, m1
• 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.
6. Расчет положений
• Интегрирование скоростей, расчет
положений (p=p0 + v·t; φ= φ0 + ω·t)
• Учет ограничений на перемещение
звеньев
7. Расчет кинематики
• Расчет кинематики сложных механизмов
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