Проектирование и моделирование роботов в среде Дин-Софт Роб

Проектирование и моделирование роботов в среде Дин-Софт Роб. Сим 5 Евстигнеев Д. В.

Rob. Sim – средство моделирования и проектирования роботов

Дин-Софт Роб. Сим 5 1. Дин-Софт – личный бренд Евстигнеева Д. В. , как индивидуального предпринимателя. 2. НИКИМТ ИТУЦР, совместно с которым разрабатывался Rob. Sim 4, сделал свой Rob. Sim 5. 3. Чтобы не путать робсимы, новый Роб. Сим будет называться «Дин-Софт Роб. Сим 5» .

В чем различия нового Rob. Sim 5 и старого Rob. Sim 4 Старый Rob. Sim 4 Новый Дин-Софт Роб. Сим 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 Rob. Sim 5? По-прежнему для разработки моделей используется 3 D 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 Wi. Fi, 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 Java. Script 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 3 D-графика • Расширения Open. GL • 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 Rob. Sim 5 Фильмы и слайд-шоу Игровой сюжет Модуль 3 D-визуализации Звуки и музыка Текстуры Сцены База данных электронных компонентов Редактор печатных плат Редактор принципиальноэлектрических схем Средства разработки 3 D Studio MAX Роботы Редактор электрических схем и подключений Редактор алгоритмов программного обеспечения Внешние плагины 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 Rob. Sim 5 Методические указания по проведению лабораторных работ Учебное пособие Разработка трехмерных моделей в 3 D Studio MAX Учебное пособие Евстигнеев Д. В.

Особенности распространения • Модуль 3 D-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 Роб. Сим 5

Обзор физических движков • В Дин-Софт Роб. Сим 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, Um. Lab и т. п. • ODE (игра «С. Т. А. Л. К. Е. Р. » ). – Бесплатный физ. движок. – Проблемы: на простейших примерах показывает свою несостоятельность. • Phy. X (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 Phy. X.

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 4 x 4. … 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 цилиндр капсула mesh + + + сфера + + + + + -

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 RS 232 и т. п. ) U, G U 0, G 0 type signal + - R

2. Обновление центров масс

3. Приложение сил и моментов Ур. Лагранжа II рода Применяется эквивалентная схема распределения усилий по звеньям робота. fi r 2 M 1 r 1 F 0 r 0 M 0

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 = v 0 + 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. P 1 P 2 P 3 P 4 • 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). v 2, m 2 v 1, m 1 • 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=p 0 + 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 (Phy. X, ODE), в Дин-Софт Роб. Сим 5 применяется режим «Сна» звеньев. • Позволяет не производить расчет динамики объектов, которые находятся в состоянии покоя.

Официальный сайт: http: //robsim. dynsoft. ru