Προσομοίωση Ρομποτικών Εφαρμογών με χρήση του λογισμικού V Rep

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Διαπανεπιστημιακό Διατμηματικό Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης Προηγμένα Συστημά Υπολογιστών & Επικοινωνιών Τομέας: Νοήμονα Συστήματα Προσομοίωση Ρομποτικών Εφαρμογών με χρήση του λογισμικού V Rep Διατριβή που υπεβλήθη για την μερική ικανοποίηση των απαιτήσεων για την απόκτηση Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης Υπό Νικόλαο Φ. Μιχαηλίδη Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2014 1

Η διατριβή του ΜΙΧΑΗΛΙΔΗ Φ. ΝΙΚΟΛΑΟΥ εγκρίνεται: Λουκάς Πέτρου (Αναπληρωτής Καθηγητής Επιβλέπων) Δουλγέρη Ζωή (Καθηγήτρια) Συμεωνίδης Ανδρέας (Επίκουρος Καθηγητής) 2

Περιεχόμενα Περιεχόμενα... 3 Ευχαριστίες... 5 Περίληψη Εργασίας... 6 Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή... 7 1.1 Κίνητρο... 7 1.2 Διατύπωση του προβλήματος... 8 1.3 Δομή της εργασίας... 9 Κεφάλαιο 2 ο Βιβλιογραφική Επισκόπηση Ρομποτικών Προσομοιωτών... 10 2.1 Εισαγωγή... 10 2.2 WEBOTS... 11 2.3 anykode Marilou... 13 2.4 Robologix... 14 2.5 Energid Technologies... 16 2.6 SimplyCube... 18 2.7 Workspace... 18 2.8 Microsoft Robotics Studio... 20 2.9 The Player/ Stage/ Gazebo... 21 2.9.1 Player... 21 2.9.2 Stage... 22 2.9.3 Gazebo... 22 Κεφάλαιο 3 ο Τεχνικά Χαρακτηριστικά του Ρομποτικού Οχήματος Gears... 23 3.1 Εισαγωγή... 23 3.1.1. Ταχύτητα... 23 3.1.2. Μορφολογία της κατασκευής... 23 3.1.3. Μεταφορά του εξοπλισμού και ωφέλιμου φορτίου... 24 3.1.4. Σταθερότητα ελέγχου... 24 3.1.5. Προσπέλαση διαφόρων τύπων επιφανειών... 24 3.2. Εκλογή Κινητήρων... 25 3.3 Το όχημα GEARS... 26 3.4 Κινηματικό Μοντέλο... 30 Κεφάλαιο 4 ο O προσομοιωτής V Rep... 34 4.1 Εισαγωγή... 34 4.2 To V Rep με μια ματιά... 34 4.3 Tα Αντικείμενα του V Rep... 35 4.4 Μονάδες Υπολογισμού... 39 4.5 Μηχανισμοί Ελέγχου... 40 3

4.5.1 Ενσωματωμένα Σενάρια... 41 4.5.2 Πρόσθετα Plug ins... 41 4.5.3 Πρόσθετα Add ons... 42 4.5.4 Διεπαφή ROS... 42 4.5.5 Διεπαφές εξ αποστάσεως... 43 4.6 Ενσωματωμένα Σενάρια Πλεονεκτήματα... 43 4.7 Σύγκριση εξωτερικών Plug in και Ενσωματωμένων Σεναρίων... 45 4.8 Επιπλέον δυνατότητες του V Rep... 46 Κεφάλαιο 5 ο Μοντελοποίηση ρομποτικού οχήματος Gears... 48 5.1 Εισαγωγή... 48 5.2 Μοντελοποίηση ρομποτικού οχήματος GEARS... 48 5.3 Μοντελοποίηση αλγορίθμων... 57 5.4 Μοντελοποίηση διαδρομών... 60 5.5 Μοντελοποίηση αισθητήρων... 68 Κεφάλαιο 6 ο Αποτελέσματα Προσομοίωσης... 71 6.1 Εισαγωγή... 71 6.2 Αποτελέσματα αλγορίθμου αποφυγής εμποδίων... 71 6.3 Αποτελέσματα αλγορίθμου ιχνηλάτησης γραμμών... 75 Κεφάλαιο 7 ο Συμπεράσματα και Μελλοντικές Επεκτάσεις... 89 Βιβλιογραφία... 91 Παράρτημα... 94 4

Ευχαριστίες Η παρούσα εργασία αποτελεί για εμένα την ολοκλήρωση των μεταπτυχιακών σπουδών μου, αλλά ταυτόχρονα και ενός πολύ μεγάλου και σημαντικού ερευνητικού έργου, το οποίο πολύ γρήγορα σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε, εξελίχθηκε και θα εξελίσσεται, στο ρομποτικό όχημα P.A.N.D.O.R.A.. Αρχικά, θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές ευχαριστίες μου στον επιβλέποντα καθηγητή, ιθύνοντα νου και κινητήρια δύναμη του εγχειρήματος της P.A.N.D.O.R.A., κ. Λουκά Πέτρου, για τις πολύτιμες παρατηρήσεις και υποδείξεις του καθ όλη τη διάρκεια της εργασίας. Κυρίως όμως θα ήθελα να τον ευχαριστήσω για την αμέριστη συμπαράσταση, την κατανόηση, την εμπιστοσύνη και φιλία του όλα αυτά τα χρόνια της συνεργασίας μας. Η προσφορά του στο πρόσωπό μου είναι πολύ μεγάλη και δεν περιορίζεται μόνο στο πλαίσιο της συγκεκριμένης εργασίας. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Β. Πετρίδη, την κ. Ζ. Δουλγέρη και τον κ. Α. Συμεωνίδη για την τιμή να μου παράσχουν τη δυνατότητα να συμμετάσχω στην κατασκευή του οχήματος της P.A.N.D.O.R.A.. Τέλος, θα ήταν παράλειψη να μην ευχαριστήσω ιδιαιτέρως τους αγαπητούς μου φίλους Χαράλαμπο Σερένη, Δημήτρη Κανλή, Νίκο Τόλη και Πέτρο Αγγελίδη, για τις ατέλειωτες ώρες στο εργαστήριο, τις αξέχαστες βόλτες, τις μοναδικές συζητήσεις και μουσικές, καθώς και για την ηθική συμπαράστασή τους, το ζήλο και τη διάθεση που επέδειξαν για τη σχεδίαση και συναρμολόγηση του οχήματος της P.A.N.D.O.R.A.. Να είστε καλά... Θα ήθελα να αφιερώσω αυτή την εργασία σε όλους όσοι έδωσαν, δίνουν ή πρόκειται να δώσουν τον αγώνα και τη μάχη τους απέναντι στις δυσκολίες... 5

Περίληψη Εργασίας Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται ο προσομοιωτής ρομποτικών εφαρμογών V Rep. Η προσομοιώση αποτελεί ένα σημαντικό και χρήσιμο εργαλείο για τους ερνευτήτες δεδομένου ότι μέσω αυτής καταφέρουν να εξοικονομήσουν χρόνο από τη σχεδίαση, να μειώσουν σημαντικά το κόστος κατασκευής και ανάπτυξης και να ελαχιστοποιήσουν τις πιθανότητες λάθους σχεδίασης αλγορίθμων και μηχανολογικής κατασκευής. Προς επιβεβαίωση της αποτελεσματικότητας της λειτουργίας του προσομοιώτη σχεδιάστηκε το ρομποτικό όχημα GEARS και εφαρμόστηκαν ένας αλγόριθμος αποφυγής εμποδιών και ένας δεύτερος ιχνηλασίας γραμμών. Πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα των δυο αλγορίθμων. 6

Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή 1.1 Κίνητρο Μεγάλη ώθηση και ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη σχεδίαση ρομποτικών οχημάτων παρουσιάστηκε κατά κύριο λόγο μετά από την επίθεση της 11 ης Σεπτεμβρίου στους δίδυμους πύργους της Νέας Υόρκης. Για την αντιμετώπιση της συγκεκριμένης κατάστασης κλήθηκαν τα πρώτα ρομπότ διασώστες να φέρουν σε πέρας δύσκολες αποστολές και να ανταποκριθούν αξιόπιστα σε ένα περιβάλλον προερχόμενο μετά από μια τόσο μεγάλη και ανεξέλεγκτη καταστροφή. Στόχος των ρομποτ διασωστών ήταν η άμεση ανεύρεση επιζώντων και τραυματιών μέσα από αυτή την κρίση. Πολλά από τα οχήματα που χρησιμοποιήθηκαν δε μπόρεσαν να ανταποκριθούν αξιόπιστα και παρουσίασαν αστοχίες προερχόμενες από κακή σχεδίαση ή στην πλοήγησή τους ή στις επικοινωνίες τους. Έκτοτε, οι επιστήμονες ερευνητές επιδίδονται σε μια προσπάθεια διαρκούς βελτίωσης των οχημάτων, του σχήματος τους, του τρόπου μετάδοσης κίνησής τους, ελαχιστοποίηση του βάρους του σκάφους καθώς και ένα πλήθος αναρίθμητων παραμέτρων και λεπτομεριών. Οι βασικότεροι στόχοι που πρέπει να εξυπηρετεί ένα όχημα διασώστης είναι οι εξής: 1. Η συλλογή, η επιλογή, η κατανομή και η αναμετάδοση των απόλυτα αναγκαίων πληροφοριών του υπο εξερεύνηση περιβάλλοντος. 2. Η άμεση υποστήριξη καταστάσεων έκτακτης ανάγκης, ως ένα αξιοπιστο όχημα για την ευκολότερη διαχείρισή τους. 3. Η μεταφορά του βάρους των αισθητηρίων που εξοπλίζουν το όχημα. Οι βασικότερες λειτουργίες που πρέπει να ικανοποιεί ένα όχημα διασώστης είναι οι εξής: 7

1. Χαρτογράφηση του περιβάλλοντος χώρου και πλοήγηση του οχήματος σε άγνωστο περιβάλλον. 2. Αναγνώριση θυμάτων και/ή επιζώντων. Οι παραπάνω στόχοι και λειτουργίες που πρέπει να ικανοποιούνται καθιστούν το κόστος σχεδίασης και κατασκευής ενός οχήματος διασώστη μια αρκετά δαπανηρή διαδικασία. Συνεπώς, η ανάγκη της προσομοίωσης σε εικονικό περιβάλλον είναι μονόδρομος για τη μείωση του κόστους σχεδίασης και κατασκευής ρομποτικών οχημάτων. Επιπλέον, η προσομοίωση βοηθάει και στον έλεγχο και απασφαλμάτωση των διαφόρων αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται για την πλοήγηση του οχήματος, τη σύνθεση πληροφορίων και την ολοκλήρωση των επικοινωνιών του. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται η προσομοίωση ενός ρομποτικού οχήματος και του συνόλου του εξοπλισμού του, οι οποίοι παρέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες για την πλοήγηση του στο περιβάλλον. Για τις ανάγκες της εργασίας επιλεχθηκε η πλατφόρμα προσομοίωσης V Rep (www.coppeliarobotics.com), η οποία διαθέτει ένα πολύ μεγάλο πλήθος έτοιμων συναρτήσεων, χαρακτηρίζεται για τους μικρούς υπολογιστικούς πόρους που δεσμεύει, τη σταθερότητά του και για το γεγονός ότι είναι συμβατός με τις πιο δημοφιλείς γλώσσες προγραμματισμού. 1.2 Διατύπωση του προβλήματος Το προς επίλυση πρόβλημα ανήκει στην κατηγορία της προσομοίωσης ενός φυσικού προβλήματος σε συνθήκες εικονικού περιβάλλοντος με τη χρήση υπολογιστή. Συγκεκριμένα ζητείται η αναπαράσταση ενός ρομποτικού οχήματος με 3D μεθόδους αναπαράστασης, η διασύνδεση του ρομποτικού οχήματος με τον προσομοιωτή καθώς και η αναπάρασταση της λειτουργίας του συνόλου των αισθητήρων πού μπορεί να εξοπλίσουν το όχημα, έτσι ώστε αυτό να μπορεί να πλοηγηθεί με ασφάλεια στο εικόνικο και κατ επέκταση σε πραγματικό περιβάλλον. 8

1.3 Δομή της εργασίας Η δομή της εργασίας αποτελείται από επτά συνολικά κεφάλαια τα οποία περιγράφονται συνοπτικά στη συνέχεια: Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται μια σύντομη επισκόπηση των πλέον χρησιμοποιούμενων προσομοιωτών, παραθέτοντας τεχνικά τους χαρακτηριστικά. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μια περιγραφή των τεχνικών χαρακτηριστικών και της σχεδιασης του ρομποτικού οχήματος που αποτελεί θέμα της συγκεκριμένης εργασίας. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται μια σύντομη αναφορά στον τρόπο λειτουργίας και των δυνατοτήτρων του προσομοιωτή. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η μεθοδολογία μοντελοποίησης του ρομποτικού οχήματος και των αισθητήρων του, η σχεδίαση του με χρήση εντολών τρισδιάστατης αναπαράστασης και η σύνταξη των αλγορίθμων πλοήγησης και ιχνηλασίας γραμμών. Στα Κεφάλαια 6 και 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και τα συμπεράσματα της εργασίας, αντίστοιχα. Τέλος, ακολουθεί εκτενής βιβλιογραφική παρουσίαση. 9

Κεφάλαιο 2 ο Βιβλιογραφική Επισκόπηση Ρομποτικών Προσομοιωτών 2.1 Εισαγωγή Οι ρομποτικοί προσομοιωτές χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία και την προσομοίωση πραγματικών εφαρμογών, χωρίς την απαραίτητη ύπαρξη ενός φυσικού μοντέλου. Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων η διαδικασία αυτή βοηθάει τους ερευνητές να κερδίσουν χρόνο, να μειώσουν θεαματικά το κόστος κατασκευής και σχεδίασης, αλλά και ταυτόχρονα να αποκτήσουν σημαντική εμπειρία για τη συμπεριφορά της εφαρμογής που αναπτύσσουν. Ο όρος ρομποτικός προσομοιωτής έχει μια πολύπλευρη σημασία και πολλές φορές αναφέρεται σε διαφορετικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, αναφέρεται σε αυτοκινούμενα οχήματα, σε ρομποτικούς βραχίονες, οι οποίοι βρίσκουν εφαρμογή στη βιομηχανική παραγωγή ή ακόμη και στην προσομοίωση συμπεριφορών μιμούμενων βιολογικούς οργανισμούς. Οι σύγχρονοι εμπορικοί προσομοιωτές παρέχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Εύκολη και γρήγορη αναπαράσταση ρομποτικών οχημάτων και εφαρμογών από ενσωματωμένες βιβλιοθήκες. Χρήση έτοιμων μηχανών αναπαράστασης φυσικών φαινομένων (πχ. βαρύτητα). Εισαγωγή τρισδιάστατων γεωμετριών του περιβάλλοντος από συνεργαζόμενα λογισμικά. Χρήση και προγραμματισμό με χρήση δημοφιλών γλωσσών προγραμματισμού. Άμεση διασύνδεση με τη ρομποτική εφαρμογή για την απ ευθείας μεταφορά των αλγορίθμων. 10

Συνοψίζοντας καταλήγουμε στο γεγονός ότι η ύπαρξη τέτοιων εξειδικευμένων προσομοιωτών, οι οποίοι απλοποιούν τη γενική σχεδίαση ρομποτικών εφαρμογών, είναι απαραίτητη και αναγκαία, διότι διευκολύνουν το χρήστη στην υλοποίηση πολύπλοκων φυσικών καταστάσεων με ιδιαίτερα αποδοτικά αποτελέσματα. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, παρουσιάζονται διάφορα λογισμικά πακέτα κατά βάση εμπορικά, τα οποία ειδικεύονται στη σχεδίαση και την προσομοίωση ρομποτικών εφαρμογών εκπληρώνοντας τις παραπάνω απαιτήσεις. 2.2 WEBOTS Το πρόγραμμα WEBOTS αποτελεί ένα γραφικό περιβάλλον μοντελοποίησης, προγραμματισμού και προσομοίωσης αυτοκινούμενων ρομποτικών οχημάτων και αποτελεί εμπορικό προϊόν της ελβετικής εταιρείας Cyberbotics Ltd. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να σχεδιάζει και να προσομοιώνει περίπλοκους συνδυασμούς όμοιων ή διαφορετικών ρομπότ, σε ένα κοινό περιβάλλον. Επιπλέον, οι βιβλιοθήκες του προγράμματος διαθέτουν πληθώρα αισθητήρων και οργάνων που μπορούν να εξοπλίσουν κάθε όχημα. Ο προγραμματισμός των απαραίτητων ελεγκτών μπορεί να γίνει είτε από το ενσωματωμένο σύστημα προγραμματισμού, που διαθέτει το πρόγραμμα, είτε από εξωτερικά προγραμματιστικά περιβάλλοντα. Οι ελεγκτές μπορούν να μεταφορτωθούν και να είναι διαθέσιμοι σχεδόν σε οποιοδήποτε εμπορικό προϊόν. 11

Εικόνα 2.1: Στιγμιότυπο του λογισμικού WEBOTS Συνοπτικά μερικά από τα χαρακτηριστικά του προσομοιωτή: Εκτελεί τη μοντελοποίηση και προσομοίωση αυτοκινούμενων, ιπτάμενων και αρθρωτών ρομποτικών εφαρμογών. Περιλαμβάνει πληθώρα από εμπορικά διαθέσιμους αισθητήρες και όργανα αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον. Κάνει χρήση δημοφιλών γλωσσών προγραμματισμού C/C++, Java Python, MATLAB Κάνει χρήση της βιβλιοθήκης ODE για την αναπαράσταση με ακρίβεια φυσικών φαινομένων. Μπορεί να μεταφέρει τους υπό εξέταση ελεγκτές σε πραγματικά ρομποτικά οχήματα όπως τα e puck, Nao, Katana, Hoap 2 κ.α. Δημιουργία αρχείων βίντεο τύπο AVI ή MPEG Προσομοίωση συστημάτων πολλαπλών πρακτόρων 12

2.3 anykode Marilou Το Marilou Robotics Studio είναι ένα γραφικό περιβάλλον αναπαράστασης και προσομοίωσης αυτοκινητούμενων ρομποτικών οχημάτων, ανθρωπόμορφων ρομποτ, ρομποτικών βραχιόνων σε συνθήκες πραγματικού χρόνου, το οποίο λαμβάνει υπ όψιν όλους τους νόμους της φυσικής. Αποτελεί ένα εμπορικό προϊόν της γαλλικής εταιρείας anykode. Οι ερευνητές που χρησιμοποιούν την εφαρμογή αυτή αναπτύσσουν προηγμένες αρχιτεκτονικές ελέγχου και χειρισμού ανθρώπομορφων ρομπότ, έντροχων ρομποτικών οχημάτων καθώς και στόλου οχημάτων θεωρώντας ότι είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για τη σχεδίαση, τον προγραμματισμό και τον έλεγχο παρόμοιων ρομποτικών εφαρμογών στο μέλλον. Για τη δημιουργία των εικονικών περιβάλλοντων αλληλεπίδρασης το πρόγραμμα για την ανάπτυξη και τον έλεγχο πολύπλοκων συναρμολογήσεων από το μηδέν, ενώ ταυτόχρονα ο χρήσης έχει εικόνα των αποτελεσμάτων των αλγορίθμων σε πραγματικό χρόνο. 13

Εικόνα 2.2: Στιγμιότυπο του λογισμικού Marilou Robotics Studio Η μέθοδος 3 D απεικόνισης του προγράμματος βοηθάει το χρήστη να αντιληφθεί εύκολα τη λειτουργία και τη διάταξη των αισθητήρων, καθώς και τον τρόπο αλληλεπίδρασής τους με το περιβάλλον σε συνάρτηση πάντοτε με τα ερεθίσματα που δέχονται από τον περιβάλλοντα χώρο. 2.4 Robologix Η αρχική σχεδίαση του προσομοιωτή RoboLogix έγινε κατά βάση, ώστε να εξυπηρετεί εκπαδευτικούς σκοπούς. Στη συνέχεια, προστέθησαν όλες οι επιπλέον δυνατότητες ενός προσομοιωτή επαγγελματικής χρήσης. Η δυνατότητα που παρέχει στους χρήστες είναι να ελέγχουν σε εικονικό περιβάλλον ποικιλία μηχανισμών, συσκευών ελέγχου και ελεγκτών, το καθιστά ένα ιδανικό εργαλείο πριν την εφαρμογή τους στην πράξη. 14

Ο προσομοιωτής RoboLogix αποτελεί το επιστέγμασμα των λογισμικών πακέτων προσομοιώσης για τη σχεδίαση και προσομοίωση πραγματικών ρομποτικών εφαρμογών, κυρίως με την εφαρογή αρθρώτων βραχιόνων βιομηχανικόυ τύπου. Με τον προσομοιωτή μπορεί να γίνει ο έλεγχος των ελεγκτών και η οπτική αναπαράσταση των αποτελεσμάτων της κίνησής τους. Αυτές οι εφαρμογές περιλαμβάνουν έλεγχο προβλημάτων όπως η παλετοποίηση, η συγκόλληση, η βαφή επιφανειών και γεωμετριών. Επιπλέον, παρέχεται η δυνατότητα ελέγχου μέσω γραφημάτων της ταχύτητας, της θέσης και της επιτάνχυσης των αρθρώσεων των βραχιόνων. Όπως ήδη αναφέρθηκε το πρόγραμμα είναι ιδανικά σχεδιασμένο για εκπαιδευτική χρήση αλλά και για επαγγελματική. Η ιδιαίτερα προσιτή τιμή του και το μεγάλο πλήθος των δυνατοτήτων που παρέχει το καθιστούν μια αξιόπιστη επιλογή με αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα. Όπως και όλοι οι προσομοιωτές οι οποίοι περιγράφονται σε αυτό το κεφάλαιο, επιτρέπουν, μέσω του ενσωματομένου λογισμικού προσομοίωσης που διαθέτουν, τον έλεγχο προσέγγισης διάφορων αντικειμένων, πλοήγηση και συγκρούσεων τα αντικείμενα του περιβάλλοντος χώρου. Η παραπάνω δυνατότητα αυξάνει την αξιοπιστία για το σχεδιασμό τροχιών και την ανάπτυξη προγραμμάτων μειώνοντας σημαντικά το συνολικό χρόνο σχεδίασης. Επιπλέον, οι χρήστες έχουν τη δυνατότητα σχεδίασης και συγγραφής κώδικα καθώς και σχεδίασης του περιβάλλοντος χώρου με ταυτόχρονη χρήση πληθώρας εμπορικά διαθέσιμων αισθητήρων. Οι αισθητήρες αυτοί περιλαμβάνουν κάμερες, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την απόκτηση της επιθυμητής θέσης του άκρου ρομποτικού βραχίονα. Ένα επιπλέον εκπαιδευτικό μέσο που περιλαμβάνεται στον προσομοιωτή επιτρέπει στο χρήστη να ελέγχει το ρομπότ να πάρει ένα αντικείμενο και να το επιστρέψει σε μια αρχική θέση μέσω εντολών ή προπρογραμματισμένες θέσεις. 15

Εικόνα 2.3: Στιγμιότυπο του λογισμικού Robologix Συνοψίζοντας, μερικά από τα πλεονεκτήματα που προσφέρονται από τη χρήση του προγράμματος είναι τα εξής: Φιλικό προς τους χρήστες για την αναπαράσταση και προσομοίωση πραγματικών εφαρμογών. Εύκολος έλεγχος και απασφαλμάτωση των προγραμμάτων προσομοιώσης. Σύγκριση των ρομποτικών εφαρμογών με σκοπό τη βελτιστοποίηση και ελαχιστοποίηση των χρόνων εκτέλεσης. Μεγάλη αξιοπιστία για τη σχεδίαση τροχιών και προγραμμάτων μειώνοντας σημαντικά το χρόνο σχεδίασης μιας εφαρμογής. 2.5 Energid Technologies Η συγκεκριμένη εταιρεία διαθέτει τον προσομοιωτή Actin για την επίλυση αρκετά δύσκολων ρομποτικών εφαρμογών. Το λογισμικό βρίσκει εφαρμογή σε προσομοιώσεις και έλεγχο όλων των ειδών των ρομποτικών εφαρμογών. Ο προσομοιωτής Actin είναι ένα προϊόν η χρήση του οποίου αρχικά προορίζονταν αποκλειστικά για τη NASA, στη συνέχεια όμως εξελίχθηκε και με τις νέες 16

δυνατότητες που προσαρμόσθηκαν σε αυτό, η χρήση του απλοποιήθηκε και επεκτάθηκαν οι δυνατότητές του για εμπορική χρήση και σχεδίαση. Διαθέτει πληθώρα εργαλείων για το συντονισμό και συνεργασία ενός ή περισσοτέρων ρομποτικών βραχιόνων. Ο χρήστης δίνει ακριβώς το είδος του επιθυμητού ελέγχου μέσα από μια κοινή γλώσσα προγραμματισμού και στη συνέχεια παράγονται τα αποτελέσματα των αλγορίθμων. Το Actin λειτουργεί με κάθε είδος άρθρωσης με απεριόριστους βαθμούς ελευθερίας. Η παραγόμενη κίνηση που προκύπτει από τον προσομοιωτή είναι ιδιαίτερα ομαλή και ομοιόμορφη και καλύπτει πλήρως τον έλεγχο συγκρούσεων και των ορίων των αρθρώσεων. Ο έλεγχος και η προσομοίωση των αλγορίθμων μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας είτε ενσωματωμένες διαδικασίες ελέγχου είτε εξωτερικές. Επίσης, παρέχει η δυνατότητα εισαγωγής μοντέλων γνωστών τρισδιάστατων σχεδιαστικών προγραμμάτων CAD. Οι φυσικές ιδιότητες του μοντέλου μπορεί να οριστούν από τα τρισδιάστατα σχεδιαστικά πακέτα ή από την ενσωματωμένη μηχανή φυσικών ιδιοτήτων που διαθέτει. Μέσα από τις τεχνικές μοντελοποίησης και ανάλυσης που παρέχονται οι σχεδιαστές εξοικονομούν χρόνο για την επίλυση προβλημάτων στα αρχικά τους στάδια. Επιπλέον, το πρόγραμμα δίνει τη δυνατότητα αξιολόγησης μιας ρομποτικής εφαρμογής σε ένα νέο πρόβλημα ή περιβάλλον. Τέλος, παρέχεται η δυνατότητα εκτέλεσης και ελέγχου ενός αλγορίθμου στον ίδιο τον προσομοιωτή ή στην ίδια την εφαρμογή σε πραγματικό χρόνο μέσω δικτύου. 17

Εικόνα 2.4: Στιγμιότυπο του λογισμικού Energid μαζί με γραφήματα αναπαράστασης 2.6 SimplyCube Το SimplyCube είναι μια εφαρμογή της γαλλικής εταιρείας SimplySim, η οποία ανήκει στον όμιλο επιχειρήσεων Optis από το 2011. Η συγκεκριμένη εταιρία παρέχει μια μεγάλη πληθώρα παρόμοιων εφαρμογών προσομοιώσης και εικονικής πραγματικότητας. Το πρόγραμμα αποτελεί μια πλατφόρμα σχεδίασης 3D εφαρμογών σε πραγματικό χρόνο όπως προσομοιώσεις και εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας. 2.7 Workspace Η εφαρμογή αυτή αποτελεί ένα εμπορικό προϊόν της καναδικής εταιρείας W.A.T. Solutions. Ο προσομοιωτής διατίθεται σε δυο εκδόσεις, όπου από τις οποίες η μια είναι σχεδιασμένη για εκπαιδευτική χρήση ενώ η άλλη μόνο για εφαρμογές οι οποίες θα βρούν εφαρμογή απ ευθείας στη βιομηχανία. 18

Εικόνα 2.5: Στιγμιότυπο του λογισμικού Workspace Το Workspace 5 αποτελεί μια καινοτόμο λύση και επιλογή στο χώρο της προσομοίωσης και προγραμματισμού ρομποτικών εφαρμογών παρέχοντας μεγάλα ποσοστά ακρίβειας κατά τον έλεγχο της και συμβατότητα ανεξάρτητα από τον τύπο της ρομποτικής εφαρμογής που έχει ο κάθε χρήστης. Όπως και οι περισσότεροι προσομοιωτές, έτσι και το Workspace 5 δίνει τη δυνατότητα ελέγχου των υπό σχεδίαση αλγορίθμων πριν από τελικό στάδιο της παραγωγής,. Χαρακτηρίζεται από την απλή και εύκολη χρήσή του και το ιδιαίτερα φιλικό περιβάλλον διεπαφής που έχει. Επιπλέον, ο συγκεκριμένος προσομοιωτής παρέχει δυνατότητες 3D σχεδίασης με εφαρμογή και σχεδίαση επιφανειών και στερεών δοκιμίων, εισαγωγής και εξαγωγής αρχείων στη μορφή *.IGES και *.SAT, σχεδίαση μηχανισμών και αρθρώσεων με απεριόριστους βαθμούς ελευθερίας ολοκληρώνοντας και την κινηματική ανάλυση των μηχανισμών αυτών. Τέλος, ο χρήστης μπορεί να επέμβει και να τροποποιήσει τα δεδομένα σχεδίασης με χρήση και διασύνδεση της εφαρμογής VBA (Visual Basic for Applications). 19

2.8 Microsoft Robotics Studio Το πρόγραμμα Microsoft Robotics Studio αποτελεί μια εφαρμογή κατάλληλη για τη δημιουργία ρομποτικών εφαρμογών που βρίσκουν εφαρμογή σε πληθώρα εμπορικά διαθέσιμων ρομποτικων πλατφόρμων. Σύμφωνα με τις περιγραφές της Microsoft το πρόγραμμα διατίθεται σε τρεις διαφορετικές εκδόσεις, οι οποίες εν συντομία περιγράφονται στη συνέχεια. Εικόνα 2.6: Στιγμιότυπο προσομοίωσης του λογισμικού Microsoft Robotics Studio Η πρώτη έκδοση (end to end robotics development platform) αφορά τη σύνθεση και αποσφαλμάτωση, εύκολα και γρήγορα, ρομποτικών εφαρμογών και προσομοιώσεων με τη χρήση ενός γραφικού προγραμματιστικού εργαλείου. Οι χρήστες έχουν πρόσβαση και τη δυνατότητα αλληλεπίδρασης στις εφαρμογές αυτές μέσω άλλων εφαρμογών του ίδιου λειτουργικού ή μέσω του διαδικτύου. Τέλος, οι προγραμματιστές μπορούν να προσομοιώσουν πραγματικές 3D εφαρμογές με χρήση της μηχανής PhysX και του υλικού AGEIA. Η δεύτερη έκδοση (Ligthweight services orientes runtime) κάνει χρήση της ενσωματομένης βιβλιοθήκης του.net απλοποιώντας ακόμη περισσότερο τη διαδικασία της προσομοίωσης. Η εφαρμογή αυτή απλοποιεί τη δημιουργία απλών και 20

μικρών ρομποτικών μοντέλων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πολύ μεγαλύτερες ή διαφορετικές προσομοιώσεις, χωρίς να απαιτούνται ιδιαίτερες αλλαγές, παρέχοντας την ίδια αξιοπιστία. Η τρίτη έκδοση του προγράμματος (scalable, extensible platform) δίνει τη δυνατότητα στους χρήστες να επεκτείνουν τις εφαρμογές και σε άλλα προγράμματα προσομοιώσεων. Τα προγραμματιστικά περιβάλλοντα μπορεί να χρησιμοποιηθούν, ώστε να είναι συμβατά για χρήση σε 8, 16 ή 32 bit επεξεργαστές ή ακόμη μονούς ή πολυπύρηνους. Επιπλέον, η έκδοση αυτή επιτρέπει την εισαγωγή έτοιμων βιβλιοθηκών επεκτείνοντας ακόμη περισσότερο τις δυνατότητες του προγράμματος από άλλα πακέτα προσομοίωσης. Τέλος, είναι συμβατή με όλες τις ευρέως διαδεδομένες γλώσσες προγραμματισμού καθώς και με τις γλώσσες που περιλαμβάνει το Microsoft Visual Studio (Visual C#, VB.NET Microsoft Iron Python κλπ). 2.9 The Player/ Stage/ Gazebo Η εφαρμογή αυτή αποτελεί ένα ευρέως διαδεδομένο και αξιόπιστο εμπορικό προϊόν. Αποτελείται από έναν δικτυακό server τον Player οποίος στέλνει όλες τις πληροφορίες για τον έλεγχο των ρομποτικών οχημάτων, καθώς και από δυο προσομοιωτές τους Stage και Gazebo. Ο προσομοιωτής Stage είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να ελέγχει πολύ μεγάλους στόλους οχημάτων παρέχοντας μικρή αξιοπιστία αποτελεσμάτων, αντίθετα ο Gazebo είναι σχεδιασμένος, ώστε να διαχειρίζεται και να ελέγχει μικρούς στόλους οχημάτων με ευκολία προσφέροντας πολύ μεγάλη αξιοπιστία αποτελεσμάτων. Αναλυτικότερα χαρακτηριστικά των παραπάνω εφαρμογών παρουσιάζονται στη συνέχεια. 2.9.1 Player Το Player αποτελεί έναν δικτυακό server, ο οποίος εξυπηρετεί τον έλεγχο στόλου ρομποτικών οχημάτων. Το Player παρέχει το σύνολο όλων εκείνων των πληροφοριών για τη λειτουργία των αντικειμένων και των αισθητήρων. Η σύνδεση τους ολοκληρώνεται με χρήση του πρωτοκόλλου TCP/IP. Επιπλέον, επιτρέπει και την 21

εισαγωγή καινούριων ρομποτικών οχημάτων, εκτός από των ήδη ενσωματωμένων, τα οποία ορίζονται με χρήση της γλώσσας C. 2.9.2 Stage Ο προσομοιωτής Stage είναι κατάλληλος για τον έλεγχο στόλου οχημάτων και την αναπαράσταση της κίνησής του σε ένα διδιάστατο γραφικό περιβάλλον. Το πλήθος των αισθητήρων οι οποίοι παρέχονται είναι σχετικά περιορισμένο, όμως περιλαμβάνει αισθητήρες υπερήχων, laser, pan & tilt κάμερες με ενσωματωμένους αλγόριθμους ανίχνευσης χρώματος και οδόμετρα. Κατά την ολοκλήρωση της προσομοίωσης, ελάχιστες είναι οι απαιτούμενες αλλαγές που πρέπει να γίνουν για την μεταφόρτωση των αλγορίθμων στον φυσικό εξοπλισμό. 2.9.3 Gazebo Ο προσομοιωτής Gazebo ενδείκνυται για την προσομοίωση εφαρμογών σε περιβάλλοντα εξωτερικών χώρων. Μπορεί να προσομοιώσει στόλους οχημάτων, πληθώρα αισθητήρων και αντικειμένων σε περιβάλλοντα πραγματικών συνθηκών. Ο κώδικας του προγράμματος κάνει χρήση της μηχανής ανοιχτού κώδικα (ODE, Open Dynamics Engine). Τέλος, κατά την αλληλεπίδραση των αισθητήρων και αντικειμένων οι εικονικές τιμές μέτρησης χαρακτηρίζονται από μεγάλη ακρίβεια και αξιοπιστία στο αποτέλεσμα τους. Εικόνα 2.7: Στιγμιότυπο του λογισμικού Gazebo, με το ρομποτικό όχημα Pioneer 22

Κεφάλαιο 3 ο Τεχνικά Χαρακτηριστικά του Ρομποτικού Οχήματος Gears 3.1 Εισαγωγή Η επιλογή ενός ρομποτικού οχήματος αποτελεί ένα πολυδιάστατο πρόβλημα, το οποίο εξαρτάται από πληθώρα παραγόντων, οι οποίοι επηρεάζουν τη συγκεκριμένη επιλογή. Επιπλέον, είναι προφανές ότι κάθε τύπος οχήματος είναι σχεδιασμένος για ένα συγκεκριμένο είδος αποστολής και η χρήση κάθε οχήματος είναι αρκετά δύσκολο, ώστε να είναι γενική. Συνεπώς, το πλήθος των παραγόντων πρέπει να περιοριστεί σε εκείνους τους παράγοντες, οι οποίοι περιγράφουν κατά το δυνατόν περισσότερο τις ανάγκες, στις οποίες πρέπει να ανταποκρίνεται ένας συγκεκριμένος τύπος οχήματος. Οι παράγοντες, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία για την εκλογή του κατάλληλου ρομποτικού οχήματος είναι οι εξής: η ταχύτητα κίνησής του, η μορφολογία της κατασκευής, η δυνατότητα μεταφοράς του εξοπλισμού του και του ωφέλιμου φορτίου, η σταθερότητα ελέγχου και επικοινωνίας και τέλος, η δυνατότητα προσπέλασης σε διάφορους τύπους επιφανειών. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται συνοπτικά οι ορισμοί των παραπάνω παραγόντων. 3.1.1. Ταχύτητα Η ταχυτήτα είναι το μέγεθος που καθορίζει το πόσο γρήγορα κινείται το όχημα πάνω στις επιφάνειες και στα εδάφη που διασχίζει. Τα τροχοφόρα οχήματα καταφέρνουν μεγαλύτερες ταχύτητες από κάθε άλλο τύπο οχήματος. 3.1.2. Μορφολογία της κατασκευής Ο όρος μορφολογία της κατασκευής αναφέρεται στην δυνατότητα του οχήματος να μπορεί να ανταποκριθεί σε διαφορετικών ειδών αποστολές σε όσο το δυνατόν περισσότερα και διαφορετικά περιβάλλοντα αλληλεπίδρασης. Η μορφολογία της κατασκευής πρέπει να υποστηρίζεται τόσο από τη μηχανολογική όσο και από την 23

ηλεκτρονική σχεδίαση του οχήματος. Στην παρούσα εργασία για ελαχιστοποίηση της πολυπλοκότητας γίνεται αναοφορά μόνο στη μορφολογία του σκελετού και του πλαισίου του οχήματος. 3.1.3. Μεταφορά του εξοπλισμού και ωφέλιμου φορτίου Η δυνατότητα μεταφοράς του εξοπλισμού και του ωφέλιμου φορτίου αναφέρεται στην ικανότητα μεταφοράς βάρους, όσο το επιτρέπει η μηχανολογική σχεδίαση του οχήματος, χωρίς να καταπονείται ο σκελετός του. Τα τροχοφόρα και ερπυστριοφόρα οχήματα εμφανίζουν αυξημένες δυνατότητες μεταφοράς ωφέλιμου φορτίου. 3.1.4. Σταθερότητα ελέγχου Ο ορισμός της σταθερότητας αναφέρεται στην ικανότητα αποφυγής της ανατροπής και εκτροπής του οχήματος από την πορεία του. Η αποφυγή ανατροπής του οχήματος προϋποθέτει πολύ καλή μηχανολογική σχεδίαση και σωστή κατανομή του εξοπλισμού του οχήαμτος. Εξαιρετική σταθερότητα κατά την πλοήγηση τους εμφανίζουν τα ερπυστριοφόρα οχήματα, γιατί λόγω των ερπυστριών έχουν μεγάλη επιφάνεια επαφής με το έδαφος. Επίσης, ικανοποιητική είναι και σταθερότητα των τροχοφόρων οχημάτων τα οποία έχουν σχετικά χαμηλό κέντρο βάρους. 3.1.5. Προσπέλαση διαφόρων τύπων επιφανειών Η δυνατότητα προσπέλασης του οχήματος πάνω σε διάφορους τύπους επιφανείων σημαίνει ότι το όχημα μπορεί να κινηθεί ικανοποιητικά σε εξωτερικούς χώρους και χωρίς προβλήματα σε ανομοιγενή εδάφη όπως χαλίκια, χώμα, και ξύλα. Τα ερπυστριοφόρα οχήματα έχουν εξαιρετική απόδοση στην προσπέλαση διαφορετικών επιφανειών. 24

3.2. Εκλογή Κινητήρων Η εκλογή των κινητήρων αποτελεί το πιο σημαντικό κομμάτι στη σχεδίαση ενός ρομποτικού οχήματος, γιατί επηρρεάζονται άμεσα η απόδοση και το βάρος του οχήματος. Οι ισχυροί κινητήρες μπορεί μεν να κινούν το όχημα γρηγορότερα, όμως είναι βαρύτεροι και απαιτούν μεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος. Για την επιλογή των κινητήρων θεωρούμε τα εξής παραδοχές: Μέγιστο βάρος οχήματος 10 Kgr Άνοδος σε κεκλιμένα επίπεδα μέχρι 20 ο Μέγιστη ταχύτητα μετατόπισης 2 m/sec σε επίπεδο έδαφος Εικόνα 3.1: Διάγραμμα ελευθέρου σώματος Λαμβάνοντας υπ όψιν το διάγραμμα ελευθέρου σώματος του οχήματος, όπως αυτό φαίνεται στην εικόνα 3.1 και από την αρχή της ισορροπίας των δυνάμεων προκύπτουν τα ακόλουθα: F=0 F=R+M g sinθ (3.1) Όπου R είναι η δύναμη της τριβής και ισχύει ότι: R=μ Mgcosθ (3.2) g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας ίσο με g=9.81m/sec 2, 25

Μ είναι το μάζα του οχήματος μετρούμενη σε kgr, μ είναι ο συντελεστής τριβής, ίσος με 0,8 κατ εκτίμηση για λαστιχένιο ελαστικό Συνεπώς, λαμβάνοντας υπ όψιν τις (3.1) και (3.2) εξισώσεις προκύπτει ότι: F=R+M g sinθ F=M g (μ cosθ +sinθ) (3.3) Η παραπάνω εξίσωση (3.3) είναι η κινητήρια (ελκτική) δύναμη του οχήματος, η οποία εφαρμόζεται με τη βοήθεια των τροχών στο έδαφος, το οποίο αντιδρά ωθώντας το όχημα και έτσι αυτό κινείται. Τέλος, θέλοντας να υπολογίσουμε την απαιτούμενη στρεπτική ροπή των κινητήρων στους τροχούς τους οχήματος θεωρούμε τα εξής: T=r d d F= Mgr d (μ cosθ +sinθ) (3.4) όπου r d είναι η ακτίνα του τροχού, μετρούμενη σε m. 3.3 Το όχημα GEARS Ένα γνωστό και εμπορικά διαθέσιμο ρομποτικό όχημα, το οποίο συνδυάζει επαρκώς πολλές από τις παραπάνω παραμέτρους είναι το όχημα GEARS. Στη συνέχεια, ακολουθεί σύντομη περιγραφή του ρομποτικού οχήματος. Η ρομποτική πλατφόρμα GEARS SMP είναι κατά κύριο λόγο σχεδιασμένη για την αντιμετώπιση προβλημάτων καταστροφών, καθώς και έρευνας και διάσωσης. Το όχημα σχεδιάστηκε κάνοντας χρήση αυτόνομης ρομποτικής τεχνολογίας, την οποία παρείχε η Gears Educational Systems. 26

Εικόνα 3.2: Το ρομποτικό όχημα GEARS Ο σκελετός του οχήματος απαρτίζεται από τετράγωνους σωλήνες ανοδιωμένου αλουμινίου κράματος 6061 Τ6, οι οποίοι συγκρατούνται μεταξύ τους, από έναν άξονα τιτανίου διαμέτρου 1/2. Το σασί του οχήματος μπορεί πολύ εύκολα να προσαρμοστεί ανάλογα με τις απαιτήσεις της κάθε «αποστολής», μετατρέποντας τις διαστάσεις, το μέγεθος καθώς και τις απαιτήσεις του σε ωφέλιμο φορτίο. Ο σκελετός του παραμένει εξαιρετικά σταθερός ακόμη κι αν το όχημα κινείται πάνω σε διαφορετικής ποιότητας εδάφη, καθιστώντας το ιδανικό για αναγνώριση και εξερεύνηση χώρων. Το όχημα συναντάται σε τρεις διαφορετικές εκδόσεις, οι οποίες παρουσιάζονται στη συνέχεια. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της βασικής έκδοσης του οχήματος συγκεντρώνονται στον ακόλουθο πίνακα. Μέγεθος Διαστάσεις (m, kgr) Βάρος 8,15 Ωφέλιμο Φορτίο 8,15 Συνολικό Μήκος 0,60 Συνολικό Πλάτος 0,60 Συνολικό Ύψος 0,33 Μεταξόνιο 0,42 Διάμετρος Ελαστικού 0,18 Μέση Απόσταση από το έδαφος 0,11 ή 30% του συνολικού ύψους 27

Η ευελιξία που παρέχει το όχημα Gears στη μετατροπή των διαστάσεων, καθώς και των εκδόσεων του φαίνεται στις ακόλουθες φωτογραφίες, οι οποίες δείχνουν το όχημα σε εκδόσεις με διαφορετικό μεταξόνιο και διαφορετική απόσταση από το έδαφος. Εικόνα 3.3: Έκδοση του οχήματος με μεγάλο μεταξόνιο και μικρή απόσταση από το έδαφος Εικόνα 3.4: Έκδοση του οχήματος με μικρό μεταξόνιο και μεγάλη απόσταση από το έδαφος Για το όχημα προδιαγράφονται τρεις διαφορετικοί τύποι ηλεκτροκινητήρων που μπορεί να εξοπλίσουν το όχημα. Η βασική έκδοση του οχήματος αποτελείται από ένα σετ ηλεκτροκινητήρων της εταιρείας PITTMAN με κιβώτιο υποβιβασμού με σχέση μετάδοσης 65,5:1, παρέχοντας έναν ικανοποιητικό συνδυασμό ροπής, ταχύτητας και κατανάλωσης ρεύματος. Συγκεκριμένα, η ελκτική δύναμη του οχήματος είναι 3,62 kgr στα 2,25 Α ανά τροχό στα 28