Zastosowania Robotów Mobilnych Temat: Zapoznanie ze środowiskiem Microsoft Robotics Developer Studio na przykładzie prostych problemów nawigacji. 1) Wstęp: Microsoft Robotics Developer Studio jest popularnym środowiskiem wspierającym programowanie robotów mobilnych tak rzeczywistych, jak i symulowanych. Jego podstawowymi zaletami są; bogata baza sterowników do różnych urządzeń robotyki mobilnej modułowa architektura pozwalająca na łatwe modyfikacji i zwiększająca stabilność łatwa integracja symulacji z rzeczywistymi robotami rozbudowane, trójwymiarowe środowisko symulacyjne Projekty tworzone w MRDS składają się ze współpracujących ze sobą programów(serwisów). Rodzaj współpracy można określić w pliku formatu XML nazywanym manifestem. Taka budowa projektu zapewnia elastyczność (ten sam serwis może współpracować z urządzeniem rzeczywistym lub symulowanym), stabilność oraz odporność na awarie(awaria urządzenia powoduje jedynie wyłączenie określonego serwisu, nie destabilizuje całego projektu). Serwisy w MRDS mogą być rozwijane w VPL(Visual Programming Language) lub z użyciem dowolnego języka programowania wspieranego przez Microsoft Visual Studio(środowisko programistyczne). VPL umożliwia tworzenie serwisów przy pomocy prostego języka blokowego. Jest to rozwiązanie przeznaczone głównie do tworzenia prostych serwisów, lub końcowych modyfikacji projektów. Przy tworzeniu bardziej rozbudowanych serwisów lepszym rozwiązaniem jest skorzystanie z MVS. Zalecanym językiem do rozwijania oprogramowania w MRDS jest C#. W tym języku będą rozwijane programy podczas laboratorium. W trakcie zajęć przeprowadzone zostanie zapoznanie z podstawowymi funkcjonalnościami MRDS obejmujące: -tworzenie symulacji -rozbudowa symulacji poprzez wstawianie obiektów -nawiązanie komunikacja pomiędzy serwisami -napisanie prostego algorytmu nawigacji
2) Symulacja w MRDS: Scena symulacji w MRDS jest tworzona przy pomocy jednostek(entities). Podstawowymi jednostkami są: -LightSourceEntity- odpowiedzialne za oświetlenie sceny -SkyDomeEntity- odpowiedzialne za stworzenie sztucznego nieba -HeightFieldEntity- odpowiedzialne za stworzenie podłoża Rys. 1. Pusta scena. W tak stworzonym środowisku(rys.1) możliwe jest dodawanie dodatkowych jednostek. Jednostki mogą zwierać kształty np.: prostopadłościanów, walców, kul itp. pojedyncza jednostka może mieć dołączony jeden kształt(signleshapeentity) lub kilka kształtów(multishapeentity). Do odwzorowywania złożonych konstrukcji takich jak roboty(rys. 2) można skorzystać z mechanizmu łączenia jednostek za pomocą zależności rodzic-dziecko. Rys. 2. Przykładowy robot. Widać odwzorowanie na potrzeby fizyki skanerów laserowych(niebieskie prostopadłościany) oraz platformę mobilną(czerwony prostopadłościan i koła). Przykładowo podstawą robota jest platforma mobilna, która zawiera przybliżoną reprezentacje obudowy robota z dołączonymi kołami. Jeżeli chcemy takiego robota wyposażyć w skaner laserowy musimy stworzyć nową jednostkę głowicy,a następnie dołączyć ją do platformy. Platforma staje się wtedy rodzicem, a skaner laserowy dzieckiem. Zależność ta m.in. powoduje, że położenie skanera laserowego względem platformy nie zmienia się, czyli jeśli platforma się poruszy to razem z nią poruszy się skaner. W ten
sposób można wyposażyć symulowanego robota w każde obsługiwane prze środowisko urządzenie. Poniżej znajdują się przykłady tworzenia jednostki oraz dołączania jej do robota: a)tworzenie jednostki LightSourceEntity: (1)LightSourceEntity light = new LightSourceEntity(LightSourceEntityType.Directional); (2)light.EntityState.Name = "Light"; (3)light.Position = new Microsoft.Xna.Framework.Vector3(0, 1, 0); (4)light.Direction = new Vector3(0.5f, -0.75f, 0.5f); (5)light.Color = new Vector4(0.8f, 0.8f, 0.8f, 1f); (6)SimulationEngine.GlobalInstancePort.Insert(light); Początkowo tworzony jest obiekt jednostki. Wywoływany konstruktor przyjmuje jak parametr typ oświetlenia(1). Następnie utworzonej jednostce nadawane jest imię(2), przypisywana pozycja(3), kierunek świecenia(4) oraz kolor generowanego światła(5). Kiedy wszystkie niezbędne parametry, zostaną podane, można dołączyć jednostkę do symulowanej sceny poprzez wywołanie instrukcji Insert głównego portu. Różna jednostki mogą wymagać określenia, różnych parametrów. Niektóre jednostki, przy tworzeniu, wymagają zawiązania kontraktu z serwisem obsługującym ich działanie(np skaner laserowy): drive.contract.createservice(constructorport, "http://localhost/" + baserobot.state.name, Microsoft.Robotics.Simulation.Partners.CreateEntityPartner( "http://localhost/" + baserobot.state.name)); b)dodawanie jednostki do robota: Pioneer3DX robot = CreatePioneerBase(ref position); LaserRangeFinderEntity laser=createlaser(); robot.insertentity(laser); 3) Komunikacja między serwisami: W MRDS komunikacja między serwisami zachodzi poprzez wymienianie wiadomości. Aby swobodnie wymieniać wiadomości serwisy powinny nawiązać partnerstwo. Partnerstwo wyznacza stopień zależności pomiędzy serwisami, na jakich warunkach mają współpracować i czy są sobie niezbędne. Przykładowe nawiązanie partnerstwa wygląda następująco: [Partner("DriveDifferentialTwoWheel", Contract = drive.contract.identifier, CreationPolicy = PartnerCreationPolicy.UseExisting)] drive.driveoperations _drivedifferentialtwowheelport = new drive.driveoperations(); drive.driveoperations _drivedifferentialtwowheelnotify = new drive.driveoperations(); W procesie nawiązania partnerstwa tworzone są obiekty zwane portami. Pierwszy z nich służy do bezpośredniej komunikacji z serwisem. Za jego pomocą można np.: ustawić moc silników czy zmienić ustawienia skanera laserowego. Poprzez drugi możemy odbierać zawiadomienia przesyłane od partnerskiego serwisu. Zawiadomieni dostaje się od partnerów, których się dodatkowo subskrybuje. Każda przesyłana wiadomość musi mieć ciało. Ciała, jak i typy wiadomości, które dany serwis przyjmuje, są z góry w nim określone.
4) Omówienie programów: Na laboratorium zostaną wykorzystane dwa programy: Symulacja i Nawigacja. Symulacja jest odpowiedzialna za stworzenie środowiska i wstawienie od niego modelu robota. Nawigacja odpowiada za realizacje algorytmu sterowania. a) Program Symulacja: Program Symulacja tworzy prostą scenę(rys. 4). Rys 4. Scena programu Symulacja. Do takiego środowiska wstawiany jest robot Pioneer 3DX wyposażony w skaner laserowy oraz zderzaki. Robot sterowany jest różnicowo. b)program Nawigacja: Program Nawigacja zbiera dane ze wszystkich serwisów współpracujących i na ich podstawie wyznacza dalszą trasę robota. Pozyskiwane są następujące dane: tablica zawierająca pomiary lasera skanerowego, informacje o stanie zdalne zderzaków, aktualna prędkość robota, aktualne położenie oraz orientację robota. Położenie i orientacja robota są podane bez błędów w celu ułatwienia pisania algorytmu. Na podstawie otrzymanych danych modyfikowany jest stan wewnętrzny serwisu. Stan wewnętrzny przechowuje następujące informacje: ostatnia odebrana prędkość robota, ostatnie odebrane położenie i orientacja robota, stan robota możliwy jeden z 3: DRIVE,TURN,STOP, informacja czy robot aktualnie wykonuje manewr omijania przeszkody, aktualny poziom realizacji manewru omijania przeszkody, ostatni odebrany skan laserowy, stan zderzaków.
Program może kontaktować się z serwisem odpowiedzialnym za ruch robota i wydawać mu polecenia. Dostępne polecenia to: przejedź dystans- realizowane przez metodę DriveDistance przyjmującą jako parametry zadany dystans i moc silników obróć o kąt- realizowane przez metodę TurnAngle przyjmującą jako parametry zadany kąt i moc silników ustaw moc na silnikach- realizowane za pomocą metody Move, która ustawia moc na każdym silniku oddzielnie. Po zakończeniu pierwszych dwóch z tych czynności program odbiera odpowiednie zawiadomienie. 5) Realizacja ćwiczenia: 1. Zapoznanie ze środowiskiem Microsoft Visual Studio. 2. Zapoznanie z programami Symulacja i Nawigacja. 3. Napisanie w programie Symulacja metod odpowiedzialnych za tworzenie i dodawanie robota oraz symulowanych urządzeń. 4. Opracowanie algorytmu omijania przeszkód i jego implementacja w programie Nawigacja. 5. Opracowanie algorytmu losowej eksploracji i jego implementacja w programie Nawigacja. 6. Opracowanie algorytmu dojechania do określonego punktu i jego implementacja w programie Nawigacja. 6) Literatura: http://msdn.microsoft.com/en-us/robotics/default