Формированиедизайн-проекта в среде Apartment Environment с помощью Microsoft RoboticsDeveloper Studio
Содержание
Введение
Описание среды ApartmentEnvironment
Описание системыкоординат
Описание алгоритмаперемещения объектов
Заключение
Введение
Пакет MicrosoftRobotics Developer Studio (RDS) предназначен для широкого круга пользователей иразрабатывался как средство, упрощающее проектирование и изучение робототехническихсистем. Важной частью этого пакета является Визуальная среда моделирования VisualSimulation Environment (VSE). Ряд доступных технологий компьютерных графики дляПК и приставок можно применить для моделирования в робототехнике. В частности,это реалистичная визуализация и физическое моделирование в масштабе реальноговремени.
Среда VSE спроектированатак, чтобы ее можно было использовать в большом количестве задач моделирования,в которых необходимо обеспечить точность, средства визуализации с возможностьюмасштабирования отображаемых сцен. В VSE используются технологии физическогомоделирования AGEIA™ PhysX™ Technologies. Этот постоянно совершенствуемыйпрограммный пакет предоставляет возможности, очень полезные для робототехники. Визуализациясцен в среде VSE основана на программном пакете Microsoft XNA Framework. />/>
Средавизуального моделирования VSE обеспечивает моделирование физических объектов иих взаимодействия, в т.ч. ударов, учитывается трение и сила тяжести.
Типичныепроблемы разработки робототехнических систем:
Дорогое и редкое аппаратное обеспечение;
Сложность диагностики аппаратного обеспечения;
Проблемы доступа к аппаратуре.
/>/>Преимущества моделирования:
Простота использования;
Поэтапный подход;
Прототипирование;
Образование.
Фактически,применение Среды моделирования можно рассматривать как попытку преобразоватьаппаратную задачу в программную. Однако, в разработке программного обеспеченияи у физического моделирования есть собственные особенности и ограничения/>/>.
Недостатки иограничения моделирования:
Отсутствие шумов;
Неполнота и неточность моделей (Большое количество явлений реальногомира очень сложно (или неизвестно, как) смоделировать);
Трудоемкость настройки.
/>/>Обзор Среды моделирования.
Средамоделирования состоит из следующих частей:
Ядро моделирования(Simulation Engine Service) – выполняет операции по визуализации объектов иотсчет времени для ядра физического моделирования. Отслеживает состояниемоделируемой сцены и обеспечивает для нее программный интерфейс (доступный ввиде программного сервиса, в т.ч. в распределенной среде).
Оболочкафизического ядра (Managed Physics Engine Wrapper) – изолирует пользователя отнизкоуровневого программного интерфейса физического ядра. Предоставляет болеекраткий интерфейс к подсистеме физического моделирования.
Библиотекафункций физического ядра (Native Physics Engine Library) – позволяет ускорить обработкузадач физического моделирования с помощью пакета AGEIA™ PhysX™ Technology.
Объекты(Entities) – представляют аппаратные устройства и физические объекты моделируемойсцены. В RDS включен набор объектов, позволяющих пользователям быстро собиратьиз них достаточно сложные робототехнические платформы в различных моделируемыхобстановках.
/>/>Примеры обстановок.
В поставкуСреды моделирования входят три варианта обстановки:
Обстановкавнутри помещения (Apartment Model)
Естественнаяобстановка (Outdoor Model)
Городскаяобстановка (Urban Model)
Эти моделиобстановок иллюстрируют уровень сложности, достижимый в Среде моделирования.
/>
/>
/> Обстановка внутри помещения Естественная обстановка Городская обстановка
Рис.1. Примеры обстановок в среде моделирования.
Примеры сцениз Среды моделирования.
Ниже показанвнешний вид (слева) и физическая модель (справа) для сцены, содержащей дваобъекта – робот и стол. Физическая модель, показанная на втором изображении,представляет собой совокупность твердотельных примитивов, приближеннопредставляющих объект для Среды моделирования.
/>
/> Робот на основе модульной платформе с дифференциальным приводом, лазерным дальномером и датчиком столкновений. Физическая модель.
Рис.2.Примеры сцен из Среды моделирования.
Ниже крупнымпланом приведен объект, состоящий из нескольких примитивных твердотельныхэлементов, и физическая модель этого объекта.
/>
/> Объект из нескольких примитивов. Физическая модель объекта из нескольких примитивов
/>
Простаяприборная панель для наблюдения данных от моделируемого лазерного дальномера(изображение обстановки приведено в режиме просмотра физической модели).
Рис. 3.Примеры объектов, состоящего из нескольких примитивов.
Ниже показансложный каркасный объект, построенный по данным из файла, и физическая модельэтого объекта в упрощенной форме выпуклого полигонального каркаса.
/>
/> Каркасный объект, загруженный из файла. Физическая модель каркасного объекта.
Рис. 4.Пример сбора сложного каркасного объекта из простых объектов.
Описание среды Apartment Environment
/>
Рис. 5.Стандартный вид среды Apartment Environment.
Для запуска необходимойсреды нужно выполнить следующие действия:
Пуск – Всепрограммы — Microsoft Robotics Developer Studio 2008 — Visual SimulationEnvironment 2008 — Apartment Environment. Обычно эта среды находится первой всписке VSE.
В результате открываетсяокно VSE и загружается сцена Apartment Environment.
Опишемспособы управления камерой. В окне среды, когда процесс моделирования запущен,мышью можно перемещать точку зрения камеры. Сама камера остается неподвижной,смещается точка, на которую направлен луч зрения.
Дляперемещения камеры можно пользоваться клавишами:Клавиша Действие w или Стрелка вверх смещение камеры вперед s или Стрелка вниз назад a или Стрелка влево влево d или Стрелка вправо вправо q вверх e вниз
Если одну изперечисленных клавиш нажимать вместе с Shift, то скорость перемещения камерыбудет увеличена. Если одновременно с клавишами перемещения камеры пользоватьсямышью, то можно выполнять «облет» вокруг объектов сцены.
Опишем панельменю среды:
/>
Рис. 6.Панель меню.
File –вкладка операций с файлом.
Open Scene –открывает и загружает извне новую сцену.
Save SceneAs… — сохранить сцену как…
Save MaterialChanges – сохранить изменения в сцене.
CreateEmbedded Resources – «захватить вложенные ресурсы».
Capture ImageAs… — захватить образ.
ExitSimulator – выход из программы RDS.
View – вид.
Playback Bar– вызывает или закрывает Панель Воспроизведения.
/>
Рис. 7.Панель воспроизведения.
Status Bar –вызывает (или закрывает) строку статуса. В этой строке отображается отчет времени,позиция камеры, и др.
/>
Рис. 8. Cтрокастатуса.
Profiler –вызывает окно изменения вида Профайлер:
/>
Рис. 9. Окноизменения вида.
Look Along –перемещение камеры по тем осям координат X, Y, Z в сторону как увеличения, таки уменьшения их значений.
Render –режим изображения.
Visual –визуализация вкл/выкл.
Wireframe –посмотреть каркас.
Physics –показать физические свойства.
Combined –одновременное отображение среды и её каркаса.
No Rendering– нет визуализации. При нажатии вместо среды отображается черный экран.
Camera –камера.
MainCamera –главная камера вкл/выкл.
Physics –вкладка физических свойств.
Enabled – физическиесвойства включены.
Settings… — настройки физических свойств. При нажатии появляется окно, в котором можно:
Сделатькамеру «твердой», поставив галочку напротив «Enable rigid body for defaultcamera»;
Задатьзначение ускорения свободного падения. По умолчанию оно равно 9,81 м/с2;
Задать режимывремени (непрерывное реальное время, или задать дискретные временные интервалы).
/>
Рис. 10. Окнофизических настроек.
Mode – режим.
Run – запусксимуляции.
Edit – режимредактирования. При нажатии в левой части экрана отображается окно, в котором:
Отображаютсявсе объекты сцены и их названия;
При выбореобъекта и нажатии кнопки Edit Entity (редактирование объекта) отображается панельопераций с объектом и окно редактирования. В панели можно задавать положение выбранногообъекта, изменяя координаты x, y, z; а также вращать объект. В окнередактирования можно задать до 39 различных свойств объекта, таких как:положение, размер, цвет частей и др. Предоставлена возможность сортировки этихсвойств как по категориям, так и в алфавитном порядке.
/>
Рис. 11.Панель операций с объектом.
/>
Рис. 12. Окноредактирование объекта.
Help –помощь.
Help Contents– вызывает стандартную электронную инструкцию.
About VisualSimulation Environment 2008 – вызывает окно, в котором содержится информация опрограмме (серийный номер, фирма-производитель и т.д.)
В средеApartment Environment стандартно находится 31 объект. Опишем первые 10объектов:
объект 19 –кровать в спальне. Она состоит из двух примитивов: параллелепипед коричневогоцвета с текстурой типа «шерсть», который обозначает саму кровать, ипараллелепипеда серого цвета, которая характеризует одеяло. Причем второйпримитив можно также рассматривать как плоскость, которая непосредственноприлегает к коричневому параллелепипеду.
объект 20 –шестиугольный стол на 4-х ножках в гостиной. Он представлен одним примитивом –правильной 6-угольной призмой. Текстура – темное полированное дерево.
объекты 21-24– стулья вокруг объекта 20. Представлены тремя твердотельными плоскостями, двеих которых параллельны друг другу, и одно перпендикулярна (она обозначаетсиденье, которое имеет белый цвет).
объект 25 –цветочный горшок в гостиной. Представлен одним твердотельным цилиндром.
объект 26 –стул в спальне. Представлен аналогично объектам 21-24.
объект 27 –кружка с картиной в виде глобуса. В каркасе представляет собой твердотельныйцилиндр. На цилиндре имеется текстура в виде рисунка.
объект 28 –банка пепси-колы. Представлена аналогично объектам 27 и 25. Только размеры этогообъекта значительно меньше.
объект 29 –тумбочка для телевизора. Представляет собой параллелепипед темного цвета.
объект 30 –телевизор. Представлен также в виде темного параллелепипеда и подставки, котораяпредставлена в виде цилиндра.
объект 31 –газета. Представляет собой плоскость белого цвета, которая плотно прилегает кобъекту 20 с текстурой в виде текста.
Заметим, чтовсе обеты в среде Apartment Environment имеют размеры моделей в масштабе, отвечающеммасштабу в реальном мире (т.е. кровать больше стула, банка пепси-колы меньше телевизора,и т.д.)
Описаниесистемы координат в среде Apartment Environment
Свяжемсистему координат с объектом 20. Это шестиугольный стол, который представлен ввиде шестиугольной призмы.
Рассмотримоснование этой призмы. Оно представляет собой плоскость, которая имеет формуправильного шестиугольника. За начало координат примем геометрический центршестиугольника.
Ось Хпроведем таким образом, чтобы она принадлежала плоскости основания, проходила черезначало координат и была перпендикулярна любым двум ребрам (сторонам) шестиугольника.
Другую ось(ось У) выбираем так, чтобы она лежала в плоскости основания, проходила черезначало координат и была перпендикулярна оси Х. При таком выборе ось У проходитчерез начало координат и 2 угла шестиугольника.
Третью ось(Z) проводим таким образом, чтобы она проходила через начало координат и былаперпендикулярна плоскости основания призмы.
Описаниеалгоритма перемещения объектов
Предположим,нам необходимо переместить объект в заданную точку. В программе MicrosoftRobotics Developer Studio это возможно сделать как минимум двумя способами:
Навестикурсор на выбранный объект, нажать Ctrl+Кнопка мыши и курсором переместить в необходимоеместо.
Выбрать имяобъекта в Панели операций с объектом и задать положение геометрического центрапримитива, представляющего данный объект.
Оба этихспособа просты по своей сути, но первый способ не дает высокую точность, еслиона требуется. Точность ограничивается чувствительностью мыши ифизиологическими качествами человека-оператора.
Второй способдает необходимую точность. Рассмотрим его подробнее на примере перемещения моделейобъектов в заданную точку.
Пусть намнеобходимо переместить объект 19 (кровать в спальне) точно в угол. Нам известныкоординаты геометрического центра примитива, с помощью которого задан объект, икоординаты точки, куда должен переместиться геометрический центр примитива. Дляперемещения нам необходимо изменить только 2 координаты – X и Y, т.к.координата Z (т.е. высота) в данном случае не должна меняться по понятнымпричинам (модель кровати не должны «провалиться в пол», или «зависнуть ввоздухе»). Далее в Панели управления объектом выбираем имя модели и изменяемкоординаты. Модель объекта автоматически переместиться в заданное место всцене.
Рассмотримдругой пример. Пусть нам необходимо переместить объект 25 (цветочный горшок вгостиной) на поверхность объекта 20 (на крышку шестиугольного стола). Для этогонам необходимо знать координаты геометрического центра примитива модели горшка(назовем их X1, Y1, Z1) и координаты геометрического центра поверхности стола.Также необходимо уточнить, какую координату имеет центр поверхности стола пооси Z. Назовем координаты геометрического центра поверхности стола (X2, Y2,Z2). Тогда мы можем вычислить новые координаты, которыми должны обладать модельцветочного горшка, чтобы точно переместиться на середину поверхности моделишестиугольного стола. Они будут равны:
X=X2
Y=Y2
Z=Z1+Z2.
Как видим изприведенного примера, данный способ перемещения имеет точный алгоритм и можетбыть однозначно описан математически. Следовательно, техника перемещенияобъектов в среде Apartment Environment может быть автоматизирована.
Заключение
В даннойкурсовой работе была рассмотрена среда моделирования Microsoft RoboticsDeveloper Studio. Были указаны основные сцены моделирования, содержащиеся вэтой среде. Также были рассмотрены основные достоинства и недостаткимоделирования. Приведено описание панели меню и всех вкладок и окон, которыесодержатся в этой панели.
Подробноописана сцена моделирования Apartment Environment. Описаны некоторые стандартныемодели объектов, которые присутствуют в сцене и примитивы, с помощью которыхони задаются.
Кроме этого,рассмотрены способы перемещения моделей объектов в заданное место, их достоинстваи недостатки. Также предложен алгоритм перемещения моделей наиболее подходящимспособом. Он просто как для понимания, так и может быть автоматизирован.