Simulazione 3D e applicazioni per robot mobili con UsarSim

Giuliano Polverari

26 ottobre 2005

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Simulazione nel contesto USAR

Problemi insiti nell’ambiente di sviluppo:

• Scarsa disponibilità di risorse e robot

• Usura dei componenti

• Difficile ricostruzione di situazioni di test

Un simulatore risolve tutti problemi posti

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Simulatori 2D vs Simulatori 3D

Realismo derivato dalla terza dimensione: • Meccanica (ruote, giunti, interazioni, gravità)

• Materiali (vetro, legno)

• Condizioni atmosferiche (luci, nebbia)

• Resa grafica superiore (navigazione dell’ambiente)

• Sensori simulabili (sonar, telecamere, scanner 3D)

I simulatori 3D sono destinati a sostituire il 2D

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Descrizione del lavoro svolto

• Scelta del simulatore 3D• Adattamento del simulatore• Realizzazione e validazione dell’interfaccia ad

RDK, la piattaforma software del SIED• Sviluppo di applicazioni tramite

l’utilizzo del simulatore:– Recupero dagli stalli– Moto su terreno sconnesso

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Presentazione di UsarSim

Unreal Engine, © Epic Games, software orientato al multiplayer gaming FPS, fornisce:• renderer 3D • tool di modellazione

3D• physic engine • linguaggio di Scripting

UsarSim estende Unreal modellando:• Ambienti, mappe NIST USAR Test facility• Attori, modelli di Vittime e Robot• Sensori, laser, sonar, ptz camera …• Controller, propri + bridge per Pyro e Player

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Architettura di UsarSim

Unreal Engine

Maps

Models(robots,sensors, victims ...)

Gamebots

Network (tcp/ip)

Controller

Unreal Client

(Attached spectator)

Video Feedback

Unreal Client

(Attached spectator)

……

Team Cooperation

Unreal Data

Control Data

Control Interface

Middle Level Control

High Level Control

Controller

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UsarSim nel contesto Rescue

Vantaggi:+ Alto grado di realismo+ Semplicità di connessione

(TCP/IP), anche multirobot+ Software multipiattaforma+ Futuro standard nelle

competizioni internazionali

Limiti (dovuti ad Unreal):– Impossibilità di accedere ai sorgenti– Esclusi alcuni sensori (CO2)– Feedback video limitato

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Estensioni(1): Stereovisione

ProblemaImpossibilità di visualizzare contemporaneamente più flussi video sullo stesso PC

SoluzioneSovrascrittura del flusso video, suddiviso in due riquadri

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Estensioni(2): Swiss Camera

Le modifiche ad UsarSim sono state approvate

dalla comunità di sviluppo

CaratteristicheFornisce informazionidi luminosità e distanzanel campo di vista

ImplementazioneIl sensore IRC (Infrared Range Camera) produce i dati di distanza

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Interfaccia UsarSim↔RDK

RDK, piattaforma per il controllo di robot ad alto livello sviluppata dal team SPQR

Interfaccia robot: Task UsarRobot• Lato UsarSim, impartisce i comandi di

movimento, preleva i dati dei sensori • Lato RDK, fornisce l’accesso al robot

Interfaccia video: Task UsarVisionsimula la telecamera e la stereovisione

RDK

UsarSim

Task UsarRobot

Task UsarVision

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Sviluppare con UsarSim

Campo: Esplorazione Autonoma

Applicazioni realizzate:• Recupero dagli stalli• Moto su terreno sconnesso

UsarSim, ambiente di test privilegiato:• Scenari differenti, personalizzati e riconfigurabili• Salvaguardia del robot reale dagli urti

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Applicazione: Recupero dagli Stalli

Stallo: blocco del robot causato dal fallimento di un’azione di movimento

Cause: impatto con ostacoli non rilevati dai sensori

Approccio: monitorare la velocità del robot

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Recupero dagli stalli: esecuzione

10 posizioni di stallo monitorate costantemente

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Applicazione: Moto su terreno sconnesso

Terreno sconnesso: ostacola la navigazione, la localizzazione ed il mapping

Approccio: • Tracciare le asperità

incontrate• Pianificare il moto

tenendo conto di tali informazioni

Nota: l’oggetto

sbilancia il robot

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Approccio (1): tracciare le asperità

Tracciamento tramite il monitoraggio della velocità,con vincoli meno stringenti rispetto all’applicazione precedente

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C1C 2

C3

Passo 1

Più V icino: C1P iù Pulito : C2Scelta: C2

attuale

target

Approccio (2): pianificare il moto

Le due applicazioni sono oggi attive sul robot reale

Più vicino: C1

Più pulito: C2

C1 C3

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Conclusioni

Un simulatore 3D permette:• La riproduzione fedele del robot e dei sensori• La modellazione di complessi scenari virtuali

Utilizzando un simulatore 3D è ora possibile:• Simulare interazioni estremamente realistiche• Ridurre i tempi di sviluppo di applicazioni robotiche• Migliorare la fase di test delle applicazioni prodotte

Questo lavoro è stato presentato durante la passata edizione della manifestazione Robocup (Osaka 2005)