Concurrent Real-TimeSimulations of Mobile RobotDynamics and PotentialUse Cases

• Main Author: Nordman, Kristian
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Maskinkonstruktion (Inst.) 2013
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-141799

Mobila robotar utgör ett aktivt forskningsområde med många potentiellatillämpningar. För att underlätta utvecklingen av en mobil robot finns flertaletrobot simulatorer att tillgå, vilka möjliggör utveckling i en virtuell miljö. Imotsats till den traditionella rollen som ett hjälpmedel i utvecklingen, fokuserardetta arbete i huvudssak på att använda simuleringar för manövreringen aven robot. Möjliga användningsfall innefattar såväl hjälpmedel för operatörersom förbättrad inlärning hos autonoma robotar.Mer specifikt definierar detta arbete fyra kategorier av användningsfall, därden gemensamma nämnaren är att simulera och utvärdera olika uppsättningarav scenarion. För att utföra denna uppgift, formuleras ett generellt ramverkbeståendes av tre självständiga delproblem; fastställande av simuleringsvägar,generering av gångstilar samt simulering och virtuell mätning. Fokus i arbetetligger på simulering och virtuell mätning.Fysikmotorn ‘Open Dynamics Engine’ (ODE) används ofta vid simuleringav en robots dynamiska egenskaper. För att erhålla tillfredställande resultati en generell simulator såsom en fysikmotor, krävs effektiva modeller. Arbetetutvidgar i detta avseende tidigare studier och analyserar lämpliga modellegenskaperbåde ur ett teoretiskt och empiriskt perspektiv. Med dessa aspektersom grund utnyttjas ODE därefter som simuleringskomponent i en förstaimplementering av det generella ramverk som definerats.Slutligen, då en del användningsfall medför simulering av stora mängderscenarion, har möjligheten att förkorta simuleringstiden m.h.a. en grafikprocessorundersökts. Metoden som föreslås tillåter tusentals scenarion att utvärderasparallellt och har implementerats i en ny minimalistisk simulator.Resultaten visar att metoden fungerar men en kostsam initialisering visar attytterligare arbete krävs kring dess implementering.i === Mobile robots compose an active research area with many potential applications.Numerous robot simulators exist that provide a virtual environmentenabling rapid prototyping and verification. Used as development tools, thesesimulations take place “offline” and are not part of normal robot operation.This work, focuses on the opposite, i.e. using simulation as part of the highlevelrobot control, in other words “online” simulation. Various use cases canbe imagined, ranging from a robot operator testing maneuvering sequences toimproving the cognition of autonomous robots.The thesis concretizes the vision of online simulation into four use cases.They are all based on simulating and evaluating a range of scenarios. Moreover,a general solution to the use cases is formulated and divided into threeindependent sub-problems: path generation, gait generation and measurement.In the thesis, focus lies on simulation and virtual measurement.The Open Dynamics Engine (ODE) is often used for simulating the dynamicsof robots. Previous research on using ODE, especially for approximatingjoint torques, has been extended. Simulator parameters are reviewed bothwith respect to empirical and theoretical considerations. ODE has furtherbeen utilized as the simulation component in a conceptual implementation ofthe suggested general solution framework.Finally, speeding up simulation using General Purpose GPU computing isinvestigated. The approach taken demonstrates how thousands of scenariosmay be simulated concurrently. In order to realize the technique, a special,minimalistic simulator has been implemented which conforms to GPU hardwarecharacteristics and limitations. The provided speedup is satisfactory, buta high initialization cost calls for further work.