Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov Player-Stage ...

Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov Player-Stage ... Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov Player-Stage ...

from neuron.tuke.sk More from this publisher

26.07.2013 Views

Technická univerzita v Košiciach Fakulta elektrotechniky a informatiky Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov Player-Stage-Gazebo 2011 Erik Bodnár

Technická univerzita v Košiciach

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Analýza softvérového prostredia pre

riadenie robotov Player-Stage-Gazebo

2011 Erik Bodnár

Technická univerzita v Košiciach

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Katedra kybernetiky a umelej inteligencie

Analýza softvérového prostredia pre

riadenie robotov Player-Stage-Gazebo

Diplomová práca

Študijný program: Kybernetika a informačno-riadiace sys-

témy

Študijný odbor: Kybernetika

Školiace pracovisko: Katedra kybernetiky a umelej inteligen-

cie (KKUI)

Školiteľ: Ing. Rudolf Jakša, PhD.

Konzultant: Ing. Rudolf Jakša, PhD.

Košice 2011 Erik Bodnár

Analytický list

Autor: Erik Bodnár

Názov práce: Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov

Podnázov práce:

Jazyk práce: slovenský

Player-Stage-Gazebo

Typ práce: Diplomová práca

Počet strán: 60

Akademický titul: Inžinier

Univerzita: Technická univerzita v Košiciach

Fakulta: Fakulta elektrotechniky a informatiky (FEI)

Katedra: Katedra kybernetiky a umelej inteligencie (KKUI)

Študijný odbor: Kybernetika

Študijný program: Kybernetika a informačno-riadiace systémy

Mesto: Košice

Vedúci práce: Ing. Rudolf Jakša, PhD.

Konzultanti práce: Ing. Rudolf Jakša, PhD.

Dátum odovzdania: 29. 04. 2011

Dátum obhajoby: 27. 05. 2011

Kľúčové slová: Gazebo, simulácia robotov, tvorba modelu robota

Kategória konspekt: Technika, technológia, inžinierstvo

Citovanie práce: Erik Bodnár: Analýza softvérového prostredia pre riadenie

robotov Player-Stage-Gazebo. Diplomová práca. Košice :

Technická univerzita v Košiciach, Fakulta elektrotechniky

a informatiky. 2011. 60 s.

Názov práce v AJ: Analysis of Player-Stage-Gazebo software enviroment for ro-

Podnázov práce v AJ:

bots control

Kľúčové slová v AJ: Gazebo, robot simulator, robot modeling

Abstrakt v SJ

Cieľom tejto diplomovej práce je bližší pohľad na projekt Player-Stage-Gazebo, pres-

nejšie na prácu v 3D prostredí programu Gazebo. V úvode je krátky prehľad nie-

ktorých robotických simulátorov. Základ práce tvorí oboznámenie sa s programom

Gazebo, ako prebieha tvorba modelu v tomto programe a ako ho môžeme ovládať

vlastným programom. Cieľom je aj podrobný popis inštalácie programu Gazebo. Po-

sledná kapitola analyzuje možnosti tvorby modelu robota Nao v prostredí Gazebo,

aké máme dostupné informácie o robote a čo by nám malo pomôcť v programe

Gazebo.

Abstrakt v AJ

The main goal of this thesis is a closer look at Player-Stage-Gazebo project and

how to work in 3D Gazebo simulator. The introduction is a brief overview of some

robotics simulators. We will describe how to build your own model and how to

comunicate with Gazebo and your program. In the next chapter we describe the

instalation of Gazebo and what is necessary for the preparation. Last chapter is

analysis of the possible way to build a Gazebo model of Nao robot and problems

that may occure.

Obr. 0 – 1

Čestné vyhlásenie

Vyhlasujem, že som diplomovú prácu vypracoval(a) samostatne s použitím uvedenej

odbornej literatúry.

Košice 29. 04. 2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Vlastnoručný podpis

Poďakovanie

Na tomto mieste by som sa rád poďakoval môjmu vedúcemu práce Ing. Rudolfovi Ja-

kšovi, PhD za pomoc a usmernenie pri písaní tejto práce. Poďakovanie patrí aj mojej

rodine, ktorá stála pri mne počas celého štúdia.

Obsah

Úvod 1

1 Formulácia úlohy 2

2 Úvod do projektu The Player project 3

2.1 História projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Player, server pre komunikáciu s reálnymi robotmi . . . . . . . . . . . 4

2.3 Stage, komponent pre 2D simuláciu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.4 Gazebo, komponent pre 3D simuláciu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.5 Alternatívne projekty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Práca v simulátore Gazebo 13

3.1 Gazebo modely . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Vytvorenie sveta v súbore *.world . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 Vytvorenie modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4 Komunikácia s modelom pomocou kontroléra . . . . . . . . . . . . . . 26

3.5 Vizuálne prostredie simulátora Gazebo . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4 Praktická časť 29

4.1 Inštalácia programu Gazebo pod systémom Linux . . . . . . . . . . . 29

4.1.1 Inštalácia Playera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.1.2 Potrebné balíky a knižnice pre úspešnú inštaláciu Gazeba . . . 31

4.1.3 Inštalácia Gazeba na Ubuntu Linux 10.04 . . . . . . . . . . . 34

4.1.4 Zhrnutie inštalácie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.2 Ukážka ovládania robota v prostredí Gazebo . . . . . . . . . . . . . . 35

4.2.1 Spojenie sa s modelom pomocou nášho programu . . . . . . . 36

4.2.2 Ovládanie modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.3 Ukážka vytvoreného modelu v prostredí Gazebo . . . . . . . . . . . . 38

4.3.1 Prvé kroky pri tvorbe modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

FEI KKUI

4.3.2 Stavba modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.3.3 Ovládanie modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3.4 Komunikácia s modelom pomocou programu . . . . . . . . . . 45

5 Analýza možnosti tvorby modelu robota Nao v prostredí Gazebo 47

5.1 Krátka špecifikácia robota Nao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.2 Pohľad na časti tela Naa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.3 Možnosti tvorby modelu a komunikácie s Naom v prostredí Gazebo . 49

6 Záver (zhodnotenie riešenia) 55

Zoznam použitej literatúry 56

Zoznam príloh 60

7 Príloha B 61

8 Príloha C 68

FEI KKUI

Úvod

V tejto práci sa zaoberáme možnosťou simulácie robota v prostredí Player-Stage-

Gazebo.

Základom simulácie by nemala byť len vizuálna stránka robota, ale aj jeho fyzická

podstata a tak isto aj prostredia. Simulátor by mal zvládať interakcie, ktoré pre-

biehajú medzi simulovaným robotom a prostredím. Vďaka tomu, že vidíme model

robota v 3D, vieme si lepšie predstaviť, ako bude vyzerať, ako sa bude správať.

Môžeme jednoducho meniť jeho parametre, vyskúšať rozmery, ktoré budú sedieť

najlepšie. Pridávať rôzne senzory v ľubovoľnom počte, pretože nie sme limitovaný

cenou senzorov.

Vďaka týmto simulátorom sa dajú jednoducho realizovať naše predstavy vo virtu-

álnom svete, bez potreby stavať fyzického robota a možnosti, že ho poškodíme. Po

odskúšaní a odladení jeho častí sa by mala konštrukcia reálneho robota prebiehať

jednoduchšie.

Nemusí to byť také jednoduché, pretože sa ľahko môže stať, že zabudneme na nie-

ktoré veci, ktoré zbadáme až na reálnom robotovi. Simulátor simuluje to, čo mu

kážeme, takže je možné, že niečo vynecháme a odzrkadlí sa to v reálnom svete.

Ohľadom softvérového balíka Player-Stage-Gazebo sme sa pozreli bližšie na jeho

inštaláciu a popis krokov, ktoré treba splniť. Zamerali sme sa hlavne na časť balíka

Gazebo, ktorý je 3D simulátorom, popísali tvorbu modelu a základy jeho ovládania

vlastným programom.

Práca nadväzuje na bakalársku prácu Bodnár (2009), ktorej náplňou bolo riadenie

chôdze robota Aibo pomocou neurónovej siete. V bakalárskej práci sa riešilo imi-

tovanie chôdze robota Aibo neurónovou sieťou a pomocou pôvodnej chôdze Aiba

dopredu a otáčania sa na mieste naučiť neurónovú sieť chôdzu do oblúka.

Navrhnutá neurónová sieť bola schopná sa naučiť pôvodné chôdze robota Aibo s rôz-

nou presnosťou. Chôdzu do oblúka vpravo sa sieť naučila pri určitom počte neurónov

v skrytej vrstve a chôdzu do oblúka vľavo sa sieť nedokázala naučiť.

FEI KKUI

1 Formulácia úlohy

Úlohy zo zadania práce

1. Vypracovať prehľad softvérových prostredí pre riadenie robotov.

2. Vypracovať úvod do softvérového systému Player-Stage-Gazebo.

3. Inštalovať Player-Stage-Gazebo vo vybranom prostredí a vypracovať doku-

mentáciu k inštalácii.

4. Pripraviť ukážky aplikácií v Player-Gazebo pre vybrané úlohy.

5. Analyzovať možnosti prostredia Player-Stage-Gazebo pre robota Nao.

6. Dokumentácia.

Prehľad spĺnenia úloch

• v 2. kapitole sa nachádza prehľad softvérových prostredí a úvod do prostredia

Player-Stage-Gazebo,

• inštalácia softvérového prostredia Gazebo sa nachádza v kapitole 3,

• ukážky aplikácií pre Gazebo sa nachádzajú v kapitole 5,

• analýza možnosti prostredia Gazebo pre robota Nao sa nachádza v 6. kapitole,

• v 4. kapitole je popísané, ako sa pracuje v prostredí Gazebo.

FEI KKUI

2 Úvod do projektu The Player project

The Player projekt v sebe zahŕňa skupinu programov, ktoré umožňujú prácu a vý-

skum s robotmi a senzorovými systémami. Celý projekt je pod licenciou GNU Ge-

neral Public License a zdrojové kódy programov sú voľne šíriteľné.

Projekt v sebe zahŕňa balíky Player, Stage, Gazebo. Pomocou týchto programov

môžeme komunikovať s reálnymi robotmi, presnejšie s programom Player, vďaka

tomu, že sa správa ako server. Komunikovať môžeme len s tými robotmi, ktoré sú

podporované, napríklad pioneer robot.

Pomocou zvyšných dvoch programov Stage a Gazebo vieme simulovať prácu s ro-

botmi, či už v 2D prostredí, to umožňuje Stage, alebo 3D prostredí Gazeba.

2.1 História projektu

Na univerzite v Južnej Karolíne sa pracovalo na multi-robot systémoch, kde v roku

1998 prišli Brian Gerkey a Richard Vaughan. Tam napísal Richard simulátor via-

cerých robotov, ktorý sa volal Arena. V laboratóriu sa používal systém Ayllu na

robotoch Pioneer napísaný Barry Wergerom.

Richard a Brain prišli s myšlienkou používania systému založeného na Unixe kvôli

zlepšeniu práce na simulátore. V roku 1999 sa ku nim pridal Kasper Stoy a praco-

vali na riadiacich programoch (controllers) pre robotov, kdež to Richard pracoval na

socketovom rozhraní klient-kontrolér/server-robot. Riadiace programy boli objemné,

preto ich nechceli prenášať na Ayllu, tak vznikol ArenaServer. Tento server bežal na

robotoch a predstavoval rovnaké rozhranie typu socket ako Arena. Cele to fungovalo

dobre, až na prehľadnosť.

Neskôr začali spoločne uvažovať o robotickom rozhraní, kde by pomocou socket ro-

zhrania mohla prebiehať komunikácia bez potrebných znalostí programovania pre

daný hardvér, malo by to byť voľne šíriteľné, aby tam mohli ľudia vytvárať vlastné

ovládače.

FEI KKUI

Brain a Kasper napísali nový server pre Pioneer roboty a nazvali ho Golem. Takto sa

dostávame ku Golem/Arena rozhraniu, ktoré nahrádza ArenaServer. Toto rozhranie

v sebe obsahovalo základnú funkcionalitu zo súčastného simulátora Player/Stage.

Neskoršie boli inšpirovaný Shakespearovým dielom, kde javisko predstavuje svet a

ľudia sú hercami. V roku 2002 začali Andrew Howard a Nate Koneig pracovať na

projekte Gazebo.

2.2 Player, server pre komunikáciu s reálnymi robotmi

Tento balík umožňuje prepojenie programov s robotickými a senzorovými hardvérmi.

Správa sa ako sieťový server medzi programom a reálnym robotom. Má za úlohu

prepojiť pomocou client/server modulu program na ovládanie robotov s daným ro-

botom.

Využíva TCP komunikáciu a dokáže načítať údaje zo senzorov a posielať príkazy

akčným členom robota. Umožňuje písanie kódu pod rôznymi programovacími ja-

zykmi ako C++, TCL, Java, Python a spúšťanie na rozdielnych počítačových sys-

témoch ako Windows, Linux, Solaris, *BSD.

Dokáže sprostredkovať prepojenie viacerých klientov, čím umožňuje rozdeľovať prácu

medzi klientmi a následne zabezpečiť ich spoluprácu. Pôvodne bol vytvorený pre Ac-

tivMedia Pioneer 2 family. V súčastnej dobe si Player rozumie aj s iným robotickým

hardvérom a príslušenstvom.

2.3 Stage, komponent pre 2D simuláciu

Stage je simulátorom pre skupinu robotov v 2D prostredí. Je vytvorený pre výskum

multi-agentových systémov. Obsahuje v sebe modely senzorov ako sonar, laser na

meranie vzdialeností, senzor na počítanie urobených vzdialeností a kameru na de-

tekciu predmetov.

FEI KKUI

Často je používaný ako modul pre Playera, kde roboty vytvorené pod Stageom sa

pripájajú ako klienti ku Player serverom, ktorý sa môže tváriť, že umožňuje komu-

nikáciu s reálnymi robotmi. Pritom len prebieha simulácia, po ktorej je možná aj

komunikácia s reálnymi robotmi.

Obr. 2 – 1 Ukážka 2D simulácie v programe Stage. Na obrázku sa nachádza 2D mapa simulácie,

ktorú je možné si jednoducho nakresliť v kresliacom programe a uložiť. Stage sa používa prevažne na

simuláciu viacerých robotov a na komunikáciu medzi nimi, obrázok prevzatý z domovskej stránky

Stage (2011)

2.4 Gazebo, komponent pre 3D simuláciu

Gazebo je robotickým simulátorom v 3D prostredí, Koenig, N. Howard, (2004).

• dokáže pracovať s jedným alebo viacerými robotmi, simuluje senzory a rôzne

iné objekty,

• obsahuje modely robotov ako Pioneer2DX, Pioneer2AT, SegwayRMP,

• simulácia fyziky, roboti vedia manipulovať s ďalšími časťami sveta,

• programy vedia samostatne pracovať s Gazebom vďaka knižnici libgazebo.

AwareKitchen projekt v simulátore Gazebo

Na Univerzite v Mníchove vytvorili robota schopného pracovať v kuchyni. Celý tento

FEI KKUI

Obr. 2 – 2 Ukážka 3D simulácie v programe Gazebo. Na obrázku je možné vidieť štvorkolesový

model robota s laserom na streche. Vedľa je obrázok, ktorý ukazuje , čo vidí robot a tak isto čo

zachytáva laser, obrázok prevzatý z domovskej stránky Gazebo (2011). Menší obraz predstavuje

to, čo robot vidí svojou kamerou

projekt je aj odsimulovaný v simulátore Gazebo autormi Kranz, M. Rusu, R. B.

Maldonado, R. A. (2006). Vďaka simulácii je možné testovať algoritmus riadenia

robota bez toho, aby sa použil skutočný robot. Takto je možné sledovať správanie

sa robota a predvídať možné komplikácie u reálneho robota. Pomocou Playera je

možné zachytiť reálne údaje robota a previesť do simulátora.

Planetary Exploration Rover

V ďalšom prípade bol Gazebo použitý pri simulácii výskumného robotického vozíka

pre iné planéty, konkrétne Mars. Correal R. (2008) sa zaoberal výskumom ohľadom

autonómneho chovania sa vozíka. Využívalo sa pri tom 3D videnie pomocou stereo

kamier, 3D mapovanie terénu, autonómna navigácia, vyhýbanie sa prekážkam,

2.5 Alternatívne projekty

Zrodilo sa viacero podobných simulačných programov, ktoré je možné voľne použí-

vať, alebo sú komerčné. Každý z nich dáva užívateľom rôzne možnosti, majú svoje

klady a zápory. Všetky moderné simulátory sa snažia o to, aby:

FEI KKUI

Obr. 2 – 3 Na obrázku je ukážka z AwareKitchen projektu reálnej kuchyne s modrým robotom

a simulácia v Gazebo programe s červeným robotom. Obrázok prevzatý z práce Kranz, M. Rusu,

R. B. Maldonado, R. A. (2006)

Obr. 2 – 4 Ukážka simulácie rovera. Terén sa snaží čo najvernejšie kopírovať povrch planéty Mars.

Obrázok prevzatý z práce Planetary exploration rover (2008)

• tvorba robotov v simulátore bola rýchla a čo najjednoduchšia,

FEI KKUI

• boli implementované nástroje pre modelovanie reálnej fyziky,

• program umožňoval 3D renderovanie a modelovanie,

• telá robotov boli dynamické.

Krátka charakteristika niektorých robotických simulátorov

• Blender for robotics,

• breve,

• lpzrobotics,

• ROS (Robot operating system),

• RT Middleware,

• Microsoft Robotics Studio.

Blender for robotics

Blender for robotics (2011) predstavuje voľne šíriteľný nástroj pod licenciou GNU

pre prácu s 3D grafikou. Umožňuje pracovať s modelmi, textúrami, simulovať vodu

a hmlu, animovať, renderovať, umožňuje kompozíciu, vytvárať interaktívne 3D ap-

likácie vrátanie hier, animovaných filmov a vizuálnych efektov.

Pracovať dokáže v prostredí Windows, Linux, Mac OS X, FreeBSD, OpenBSD, So-

laris. Pre prácu s robotmi a senzormi je Blender For Robotics.

breve

Je to program na 3D simuláciu multi-agentových systémov a umelého života. Použiť

je možné programovací jazyk Python, alebo skriptovací jazyk steve, vďaka ktorým

je možné definovať chovanie agentov v 3D svete a sledovať ich vzájomnú interakciu.

Simulátor v sebe obsahuje simuláciu fyziky a detekciu kolízie, takže je možná reálna

simulácia bytostí. Program beží na systémoch Windows, Linux, Mac OS.

lpzrobotic

FEI KKUI

Obr. 2 – 5 Ukážka z programu Blender for robotics, obrázok prevzatý zo stránky Blender for

robotics (2011)

Obr. 2 – 6 Ukážka k simulátoru breve z VisionSwarm dema, predstavuje skupinu agentov. Menší

obrázok predstavuje, čo vidí vybraný agent, zdroj breve (2006)

Ďalším z rodiny open-source simulátorov je simulátor lpzrobots z nemeckej univer-

zity Leipzig. Tento balík v sebe obsahuje viacero podprogramov, z ktorých najdô-

ležitejšími sú selforg a ode robots. Prvý spomenutý sa používa na implementáciu

kontrolérov, druhý ode robots je 3D realistický robotický simulátor, pozostáva z

ODE (Open Dynamics Engine) a OSG (OpenSceneGraph). Oba časti sú vyvíjané

Georgom Martiusom.

FEI KKUI

Program je možné stiahnuť s rôznymi balíkmi pre Linux a Mac OS. Väčšina zdro-

jového kódu je pod licenciou GPL, ale niektoré kontroléry sú chránené autorským

zákonom.

V balíkoch sa nachádzajú aj také frameworky, ktoré umožňujú využitie genetických

algoritmov alebo genetické programovanie.

Obr. 2 – 7 Na obrázku simulátora lpzrobotic je priebeh robotického wrestlingu, prevzaté z lpzro-

botics (2010)

ROS (Robot operating system)

ROS (2011) je framework pre tvorbu robotických aplikácií, ktorý sa chová ako opera-

čný systém. Poskytuje abstrakciu hardvéru, riadenie na najnižšej úrovni, posielanie

správ medzi procesmi. Používa sa prevažne na systémoch typu Unix, ale niektoré

časti bežia aj na systémoch Windows. Distribuovaný je pod licenciou BSD a má

voľné zdrojové kódy.

Zoznam niektorých robotov, ktoré môžu byť použité s týmto balíkom:

• AscTec - štvorvrtuľový lietajúci robot,

• Nao - humanoidný robot,

• Lego NXT - robotická stavebnica od firmy Lego,

• Roomba - robotický vysávač,

FEI KKUI

• Merlin miabotPro - malý, autonómny, mobilný robot.

• a ďalšie.

Microsoft robotics developer studio

Je to softvér na riadenia a simuláciu robotov v prostredí systému Windows či už

pre nadšencov, akademickú úroveň alebo komerčný vývoj. Pomocou MRDS môžeme

riadiť roboty na diaľku alebo nastaviť autonómne správanie sa robota. Vďaka 3D

simulácii vidíme správanie sa robota.

Microsoft RDS vie komunikovať s viacerými robotickými platformami, ako sú:

• Nao,

• iRobot - založenom na Roomba vysávači,

• Seegway - dvojkolesové vozítko na prepravu osoby,

• Scribbler robot - malý programovateľný robot so senzormi,

• a mnoho ďalších.

Práca v programe umožňuje nasledujúce veci:

1. prepojenie s Visual Studio projektamy v C#, C, VB.NET,

2. vizuálneho programovania - je to grafické vývojové prostredie, programuje sa

pomocou spájania blokov, vstupov a výstupov. Bližšia predstava na obrázku

2 – 8

3. MRDS 3D - prostredie pre simuláciu robotov pomocou NVIDIA PhysX tech-

nológie,

RT Middleware

RT Middleware (Robotics Technology Middleware) predstavuje štandardnú plat-

formu pre distribuované riadenie. Táto platforma umožňuje prepojenie robotov do

sietí pomocou RT-objektov. Bližšie špecifikácie štandardov RT-objektov sú defino-

vané v OMG (Object Management Group). Prevzaté zo stránok RT Middleware

FEI KKUI

Obr. 2 – 8 Ukážka prepojenia blokov pomocou vizuálneho programovania, kde každý blok má

svoj vstup a výstup. Vo vnútri bloku sa nastavujú ďalšie potrebné parametre, obrázok prevzatý zo

stránky MRDS (2006).

(2011) Medzi jednotlivé RT-objekty môžeme zaradiť:

• aktuátory,

• servomotory,

• kamery,

• senzory a ďalšie.

Implementácia RT Middleware:

• OpenRTM-aist - RT Middleware je realizovaný na základoch CORBA plat-

formy. Vďaka vlastnostiam CORBA platformy je OpenRTM-aist prístupný

pre multi-platformné a multi-jazykové prostredia,

• penRTM.NET - je implementáciu RT Middlewaru na základoch .NET frame-

worku.

FEI KKUI

Tabuľka 3 – 1 Súbory pre prácu s Gazebom

súbor typu xml popis súboru

*.world obsahuje informácie o svete, v ktorom prebieha simulácia,

obsahuje nastavenia fyziky, okna aplikácie,

informácie o použitom modely, kde je uložený

*.model obsahuje informácie o modely,

rozmery, stavba modelu a jeho časti a

umiestnenie vo svete

3 Práca v simulátore Gazebo

Pre spustenie simulácie si musíme vytvoriť súbor typu xml s koncovkou *.world a

*.model. Tieto súbory slúžia na definovanie sveta, v ktorom prebieha simulácia a

na modelovanie tela robota alebo rôznych iných predmetov, vychádzam prevažne zo

zdrojov Gazebo svn (2010). Zhrnuté v tabuľke 5 – 1.

Jazyk XML Dokument typu XML sa skladá z kombinácie značiek a znakov. Značky

predstavujú štruktúru XML formátu a znaky jeho obsah. Pri vytváraní XML súboru

sa musia dodržiavať nasledujúce pravidlá, prevzaté zo zdroja XML (1998):

• každý element XML musí mať začiatočnú aj koncovú značku,

• dokument XML musí obsahovať jediný pár značiek (skladajúci sa zo začiato-

čnej a koncovej značky), tzv. koreňový element dokumentu, v ktorom sú všetky

ostatné elementy vložené. Na koreni nemôže byť viac elementov.

• počiatočné a koncové značky každého elementu musia byť riadne vnorené,

vnorený element musí byť celý obsiahnutý vo svojom nadradenom elemente.

Inými slovami, počiatočné a koncové značky vložených elementov sa nesmú

prekrývať, ako to bolo povolené v HTML. To zaisťuje hierarchickú štruktúru

dokumentu XML.

Ak dokument XML spĺňa tieto pravidlá, potom je správne štruktúrovaný.

FEI KKUI

Začiatok súboru *.world je tvorený hlavičkou, ktorej tvar je 5 – 2, kde na mieste ***

môžu byť použité rôzne kľúčové slová, podľa toho, ktoré časti sa použijú vo svete,

sú to:

model, senzor, body, joints, geoms, interfaces, rendering, renderable, controler, phy-

sics, param, ui, windows.

Krátka charakteristika týchto slov:

• model - predstavuje použitie konkrétneho modelu v našej simulácii a zahrňuje

potrebné informácie pre model. Je možné použiť už existujúce modely naprí-

klad ako Pioneer 2, wizbot, epuck, bandit, alebo vlastný vytvorený model, kde

celý model je definovaný v tagu 〈model〉.

• senzor - určuje použitie senzora, ktorý môže byť napríklad základný kamerový

senzor, SickLMS200 laser senzor, alebo vlastný vytvorený senzor,

• body - definuje v sebe potrebné časti pre stavbu tela robota,

• joints - obsahuje definície pre tvorbu kĺbov: Ball Joint, Hinge Joint, Hinge 2

Joint, Universal Joint, Slider Joint ,

• geoms - predstavuje definície pre stavbu tela Box Geom, Cylinder geom, Height

map geom, Plane Geom, Ray geom, Sphere geom, Triangle Mesh geom,

• interface - rozhrania v simulátore, cez ktoré komunikujeme s robotom, naprí-

klad: simulation, camera, position, graphics3d, laser, fiducial, factory, gripper,

actarray,

• controler - slúži na komunikáciu s robotom v simulátore pomocou knižnice

libgazebo. Každý model má svoj kontrolér a je možné použiť už existujúce,

ale potom robot musí byť prispôsobený danému kontroléru. Zoznam kontrolé-

rov: bandit actarray generic camera, controller stub, factory, pioneer2 gripper,

sicklms200, pioneer2dx position2d,

• physics - údaje o chovaní sa fyziky v simulátore, pod to všetko spadajú geoms,

FEI KKUI

joints, ODE.

3.1 Gazebo modely

Základné modely, ktoré sú obsiahnuté v balíku sa po inštalácii nachádzajú v adresári

/ usr / l o c a l / share / gazebo / worlds

a sú to:

• bandit.world - robot s trupom a rukami, spojený s pioneer2dx modelom, vďaka

ktorému sa môže pohybovať po svete,

• bsp.world - chyba pri načítaní,

• bumper.world - pioneer2dx robot a laser,

• epuck single.world - chyba pri načítaní,

• epuck.world - chyba pri načítaní,

• federation.world - mapa so stenami,

• laser.world - chyba pri načítaní,

• lights.world - ukážka osvetlenia,

• map.world - podobné ako federation.world, ale väčšia mapa s miestnosťami

oddelenými stenami a chodbami,

• openal.world - ukážka so zvukom,

• pioneer2at.world - štvorkolesové robotické auto,

• pioneer2dx camera.world - robot pioneer2dx s namontovanou kamerou,

• pioneer2dx gripper.world - robotické chápadlo, držiak,

• pioneer2dx.world - vozík pioneer2dx,

FEI KKUI

• simplecar.world - štvorkolesové auto,

• simpleshapes.world - model kocky s povrchom,

• stereocamera.world - chyba pri načítaní,

• terrain.world - simulácia terénu,

• trimesh.world - padajúce palety,

• wizbot.world - vozítko vizbot.

Nachádza sa tam jeden priečinok models, v ktorom sa nachádzajú modely, ktoré sú

volané zo súborov *.world:

• athene.model - problém s meshom,

• bandit.model,

• epuck new.model- problém sa resRange,

• generalshop.model - problém s meshom„

• hokuyo-urg-o4l.model - problém s resRange,

• imu.model - mala zelena kocka,

• pioneer2at.model,

• pioneer2dx.model,

• pioneer2gripper.model,

• RZR-022.model - problém s meshom,

• sicklms200.model - laser,

• simplecar.model - auto,

• sonyvid30.model - kamera,

• wizbot.model - robot s dvoma kolesami.

FEI KKUI

Tieto súbory svetov a modelov sa môžu v niektorých verziách líšiť. Môže pribudnúť

nový model, starý sa odstráni a podobne.

Programy, ktoré slúžia na komunikáciu a riadenie modelu sa nachádzajú v priečinku:

˜/Dokumenty/ svngazebo / gazebo / examples / l i b g a z e b o /

Nachádzajú sa tu ukážky programov pre

bandit bumper camera epuck f a c t o r y graphics3d l a s e r openal p o s i t i o n

s i m i f a c e s t e r e o

Kompilácia programu v danom priečinku prebieha pomocou cmake takto:

cmake .

Po úspešnej kompilácii napíšeme príkaz

make

a program by mal byť preložený.

Ak spustíme Gazebo nasledujúcim príkazom:

gazebo ∗ . world

mali by sme byť schopný vidieť zobrazený model, ktorý sa len otvorí v simulácii ale

nijako inak sa neprejavuje. Až keď spustíme program na jeho ovládanie, tak sme

schopný vidieť nejaký ten pohyb v simulácii.

3.2 Vytvorenie sveta v súbore *.world

Po hlavičke nasleduje ďalšia časť kódu 3 – 3. Toto slovo znamená mnohotvarosť. Blok

textu physics:ode obsahuje nastavenia fyziky nášho simulovaného sveta. Hodnota erp

(Joint error and the error reduction parameter) predstavuje parameter chyby pri

spájaní kĺbov a ich otáčaní. Druhou hodnotou je cfm (Soft constraint and constraint

force mixing), ktorá keď je rovná 0, spájanie kĺbov alebo trenie medzi nimi bude

tvrdé.

FEI KKUI

Tabuľka 3 – 3 Nastavenia parametra verbosity a parametrov pre ODE.

5

0.001

0 0 −9.8

10e−5

0.3

Nastavovaním týchto konštánt sa dá dosiahnuť rôznych efektov, ako pórovitý povrch

kĺbov alebo pružnú väzbu bez oscilácií. Podrobnejší a presnejší opis týchto dvoch

hodnôt je možné nájsť na stránkach programu ODE (2007).

Nasledujúca tabuľka 3 – 4 predstavuje časť kódu pre návrh užívateľského okna GUI.

Návrh pre sledovanie simulácie je nasledovný, nastavia sa rozmery okna a ostáva už

len určenie polohy kamery vo svete.

Používa sa skôr spomínaný program pre tvorbu užívateľských grafických okien,

FLTK.

Gazebo používa OGRE rendering engine, ktorého definícia začína tagom ,

viď 3 – 5. Hodnotou ambient sa nastavuje okolné svetlo, množstvo okolitého svetla.

Hodnota sky predstavuje materiál, ktorý bude použitý na simuláciu oblohy.

18

. . .

FEI KKUI

Tabuľka 3 – 4 Nastavenie vykreslenia okna pre Fltk.

f l t k

800 600

0.005 0 . 0 0.3

Tabuľka 3 – 5 Údaje potrebné pre OGRE.

0.1 0 . 1 0 . 1 1.0

Gazebo/CloudySky

f a l s e

Ďalšou hodnotou by mohla byť hmla (fog).

V tabuľke 3 – 6 sa nachádza nastavenie povrchu simulácie. Súradnice xyz a uhol

sklonu rpy sú nastavené na nulu. Hodnotou static sa nastaví, či je model statický,

bez pohybu alebo je mu umožnený pohyb, možnosť presunu. V časti body:plane

name=”plane1 body” sa definuje meno.

Koeficient trenia je možné nastaviť pomocou mu1 a mu2. Mu1 predstavuje smer 1

a mu2 smer 2.

Aby bolo možné vidieť, čo sa počas simulácie deje, je potrebné v simulátore nastaviť

svetlo 3 – 7.

FEI KKUI

Tabuľka 3 – 6 Definícia modelu povrchu simulácie.

0 0 0

true

0 0 1

100000.0

2000 2000

10 10

2000 2000

Gazebo/GrayGrid

FEI KKUI

Tabuľka 3 – 7 Nastavenie modelu svetla.

0 0 10

true

f a l s e

point

0.5 0.48 0.5

.1 . 1 .1

50

0.1 0.01 0.00

. . .

FEI KKUI

Poslednou úlohou je nastavenie modelu, o ktorom budem písať v ďalšej časti. Model

môžeme vytvoriť v našom súbore *.world, časť 1 v tabuľke 3 – 8, alebo ho načítať

zo súboru *.model, časť 2 a 3 v tabuľke. V 2 časti sa len načíta súbor obsahujúci

model a v 3 časti sa predtým ako sa načíta model zo súboru, môžu nastaviť nové

parametre modelu, ktoré prepíšu tie pôvodné. Vďaka súboru *.model môžu byť

modely prehľadnejšie uložené.

Posledný riadok v tabuľke predstavuje ukončenie súboru *.world.

3.3 Vytvorenie modelu

Všetky fyzikálne vlastnosti modelu sa nastavujú v tomto súbore, či už ide o pozíciu

vo svete alebo jeho veľkosť a počet jeho častí.

Ako ukážku použijem jednoduchý model kvádra, ktorý je možné vložiť do sveta opí-

saného v predchádzajúcej kapitole spôsobom 1 v tabuľke 3 – 8.

Model začína tagom , v ktorom sa následne vytvárajú jeho ďalšie časti

pomocou tagu a , viď tabuľku 3 – 9. Každá časť modelu má svoje

meno, tak isto ako samotný model. Náš model sa bude nachádzať vo svete na súrad-

niciach x=-16, y=0 a vo výške z=0 a model nemá žiaden sklon. Parameter statiky

je nastavený na true, to znamená že je to statický model.

Po týchto častiach nasleduje definícia tela. Telo nie je posunuté vzhľadom na mo-

del, preto sú súradnice x=0, y=0, z=0. Hodnota size predstavuje aký veľký má byť

model.

Hore uvedená ukážka je len základom tvorby modelov. Modely robotov sa v skuto-

čnosti skladajú z viacerých častí (body), ktoré sú medzi sebou pospájané a tvoria

celé telo robota. Niektoré časti sú pohyblivé a ich vzájomné prepojenie je pomocou

kĺbov.

Hodnotou mass bol nahradený starší parameter density, ktorou sa počítala hmot-

nosť modelu. Parameter mass je pri niektorých modeloch nastavený na nulu. Ak

FEI KKUI

Tabuľka 3 – 8 Vkladanie modelu do súboru *.world

. . .

1 0 0.25

0.0 0 . 0 0.0

l e f t w h e e l h i n g e

r i g h t w h e e l h i n g e

FEI KKUI

Tabuľka 3 – 9 Príklad definície samotného modelu

−16 0 0

0.0 0 . 0 0.0

true

0 0 0

0.0 0 . 0 0.0

unit box

.2 . 2 .6

0.5

0.8

.2 . 2 .6

0 0 0

unit box

Gazebo/ b o x c r e a t e b l u e

0.8 0 . 8 0.8

FEI KKUI

Tabuľka 3 – 10 Príklad definície kĺbu typu Hinge, ktorý spája dve časti (body) modelu. Anchor

predstavuje, ktorá časť je hlavná, axis predstavuje v ktorom smere sa bude kĺb otáčať, lowStop a

highStop sú kladné a záporné možné hodnoty pootočenia kĺbu, erp koeficien trenia.

FEI KKUI

3.4 Komunikácia s modelom pomocou kontroléra

Základom pre komunikáciu s modelom je kontrolér. Kontrolér predstavuje program,

ktorý zabezpečuje prenos údajov medzi simuláciou a našim programom, viď 3 – 1.

Obr. 3 – 1 Komunikácia s Gazebom prebieha pomocou knižnice libgazebo, vďaka ktorej nepotre-

bujeme program Player. Pod libgazebom sa nachádza kontróler pre konkrétny typ modelu, až tak

sa prepojenie komunikácie dostáva k nášmu programu.

Kontroléry sa nachádzajú v priečinku

˜/Dokumenty/ svngazebo / gazebo / s e r v e r / c o n t r o l l e r s /

Každý z týchto kontrolérov slúži na ovládanie určitého druhu modelu, robota. Tak

napríklad position kontrolér zabezpečuje pohyb robota pioneer2dx. Je ho možné

použiť na modely s dvoma kolesami. Kontrolér bandit actarray zabezpečuje komu-

nikáciu so zadaným počtom kĺbov.

Model môže mať definovaných viacero kontrolérov, ako napríklad model bandit,

ktorý predstavuje model trupu s hlavou a rukami a je spojený s modelom pioneer2dx,

vďaka ktorému má možnosť sa pohybovať vo svete.

Problémy nastávajú, ak žiaden zo zadaných kontrolérov nespĺňa naše požiadavky.

Vtedy treba napísať vlastný, alebo upraviť jeden z existujúcich. Bližšie o kontrolé-

roch sa nachádza na stránke Gazebo svn (2010).

3.5 Vizuálne prostredie simulátora Gazebo

Po dokončení návrhu sveta a modela môžeme spustiť simuláciu. Stačí zadať príkaz

gazebo n a s s v e t . world

a otvorí sa okno programu Gazebo a spustí sa priebeh simulácie, viď obrázok 3 – 2.

Jednotlivé očíslované časti okna predstavujú:

FEI KKUI

Obr. 3 – 2 Okno simulátora Gazebo s prebiehajúcou simuláciou. Zatiaľ len ukážka základného

modelu, kvádra. Ak model nie je statický, tak sa pri pozastavení simulácie je možné ho premiestniť,

poprípade otočiť rôznymi smermi.

1. tlačidla pre spustenie a zastavenie simulácie, kurzor pre pohyb vo svete a

pomocou ruky je možné premiestňovať model,

2. predstavuje geometrické tvary, kváder, guľu a valec, ktoré je možné vložiť

priamo do simulácie,

3. týmito tlačítkami je možné vložiť ďalšie zdroje svetla,

4. na tomto mieste si vieme nastaviť uhol pohľadu kamery, alebo sledovanie po-

hybujúceho modelu,

5. zoznam modelov vo svete,

FEI KKUI

6. parametre modelu načítané spolu s modelom, ktoré je možné počas simulácie

meniť,

7. poloha kamery v simulátore,

8. ukazovatele priebehu času simulácie,

9. náš model vo svete.

V obrázku je model označený. Označiť model je možné podržaním klávesy ctrl a

stlačením kurzora na vybraný model. Po označení je možné meniť súradnice modelu

a ľubovoľne ho premiestňovať vo svete.

FEI KKUI

4 Praktická časť

V tejto časti práce je popis skúsenosti s inštaláciou Gazeba, tvorbou modelov a ich

ovládaním. Taktiež popis postupu pri programovaní, ako sa pripojiť na náš vytvo-

rený model, ako sním komunikovať a ovládať ho.

Po úspešnej inštalácii máme prístup k ukážkovým modelom a programom, ktoré

slúžia na komunikáciu a ovládanie modelov. Po prvej úspešnej inštalácii Gazeba sa

nepodarilo spustiť všetky modely. Niektoré sa zobrazili, iné sa nezobrazili správne

a pri ďalších nastali chybové hlásenia od programu Gazebo, po ktorých program

spadol. Nie všetky modely majú prepísané pre novšie časti Gazeba, pretože v sta-

rších verziách sa niektoré časti modelov ináč definovali, alebo mohol byť problém na

strane Gazeba alebo jeho pomocných balíkov.

Po vyskúšaní SVN verzie sa podarilo spustiť väčšinu modelov, ale aj to záležalo od

verzie SVN. Horšie je to so zdrojovými súbormi programov, ktoré by mali komuni-

kovať s modelom, tam sa podarilo preložiť len program openal.

Na týchto skutočnostiach sme sa pokúsili postaviť model, ktorý by bol podobný

modelu bandit a bolo by ho možné ovládať jeho kontrolérom, pretože model bandit

sa nepodarilo pomocou jeho programu ovládať. Niekedy sa stalo, že sa model bandit

začal nevysvetliteľne hýbať, pravdepodobne sú tam kolízie súradníc, inokedy Gazebo

hlásilo chybu.

4.1 Inštalácia programu Gazebo pod systémom Linux

Inštalácia programu Gazebo je zložitá. Potrebujeme stiahnuť zdrojové súbory prog-

ramu, následne úspešne kompilovať a tak inštalovať.

Zložitosť inštalácie závisí prevažne od toho, že je potrebné stiahnuť ďalšie programy

a knižnice pre úspešný beh Gazeba. Niektoré z týchto programov je tiež potrebné

najprv zkompilovať, až tak inštalovať. Môže sa stať, že sa v novších verziách niektoré

časti programov zmenia a spolupráca s Gazebom môže vyvolať rôzne chyby. Vtedy

FEI KKUI

treba skúsiť nainštalovať staršie verzie, s ktorými môže byť zabezpečená lepšia kom-

patibilita.

Gazebo je možné nainštalovať bez programu Player, pretože knižnicou libgazebo sme

schopný komunikovať s robotom počas simulácie. Ak by sme mali aj hardvérovú časť

robota, tak pomocou Playera by sme mali byť schopný komunikovať s robotom. Sa-

mozrejme potrebujeme drivery, ktoré ak nie sú dostupné pre náš robot, tak si ich

musíme sami napísať pre Playera.

Program Cmake

Cmake (Cross-platform make)je viacplatformový program na tvorbu Makefile sú-

borov, pomocou ktorých sa prekladá náš program. Sú to súbory, ktoré obsahujú

pravidlá pre kompiláciu programu, ktorý sa môže skladať z množstva zdrojových

súborov. Tým pádom, že je multiplatformový, vie generovať makefile súbory pod

Linuxom, pre kompiláciu pomocou make, alebo pre pre Windows MSVC projekty,

Borland makefile projekty. Pomocou tohoto programu budeme zostavovať Gazebo

zdrojové súbory a následne kompilovať príkazom make.

Cmake je možné nainštalovať nasledujúcim spôsobom:

sudo apt-get install cmake

Balík pre preklad programov

Aby sme mohli prekladať zdrojové súbory napísané v jazyku c alebo c++, potrebu-

jeme stiahnuť balíček build-essential nasledovným spôsobom:

sudo apt-get install build-essential

Teraz už môžeme kompilovať zdrojové súbory s príponou c a cc.

4.1.1 Inštalácia Playera

Zdrojové súbory programu Player sa nachádzajú na stránke projektu The Player

project (2011). Samotná inštálácia prebieha nasledovne 4 – 1.

FEI KKUI

Tabuľka 4 – 1 Inštalácia programu Player verzie 3.0.2, zo zdrojových súborov.

. / c o n f i g u r e

make

sudo make i n s t a l l

4.1.2 Potrebné balíky a knižnice pre úspešnú inštaláciu Gazeba

Gazebo 0.10.0 svn verzie sa podarilo nainštalovať pomocou nasledujúcich programov:

• knižnica Ode 0.11.1, pre simuláciu fyziky modelov,

• balík Ogre 1.7.1, balík pre 3D vykresľovanie,

• Fltk 1.1, slúži na vytvorenie grafického okna simulácie,

• Bullet 2.77, knižnica na detekciu kolízie,

• Yaml 0.1.3, jazyk pre serializáciu dát,

• Libxml2, xml syntaktický analyzátor.

Niektoré z týchto balíkov potrebujú niekoľko ďalších knižníc alebo balíkov.

Ode

(Open dynamic engine) predstavuje balík nástrojov, ktorý simuluje fyziku modelov.

Môžu to byť rôzne autá, objekty, postavy vo virtuálnej realite.

Inštalácia, viď 4 – 2. je možná zo zdrojových súborov nachádzajúcich sa na stránke

projektu, alebo z repozitáru Ubuntu, kde sú už pripravené binárne súbory na stia-

hnutie a inštalácia vyzerá nasledovne:

sudo apt-get install libode1 libode-dev

Ogre

(Object-Oriented Graphics Rendering Engine) je 3D engine vytvorený v jazyku

C++, orientovaný na kreslenie scenérií. Účelom vytvorenia bola snaha zjednodu-

FEI KKUI

Tabuľka 4 – 2 Inštalácia balíka Ode, verzia 0.11.1, stránka projektu ODE (2007)

. / c o n f i g u r e

make

sudo make i n s t a l l

Tabuľka 4 – 3 Inštalácia balíka zo stránok projektu OGRE (2000), verzia 1.7.1. Na inštaláciu sa

používa program cmake, v hlavnom adresári je potrebné pred inštaláciou vytvoriť priečinok build,

v ktorom sa vykonáva kompilácia a inštalácia.

mkdir b u i l

cd b u i l d

cmake . .

make

sudo make i n s t a l l

šiť a spraviť viac intuitívnym prácu vývojárov tvoriacich hardvérovo akcelerovanú

3D grafiku.

Inštalácia 4 – 3 prebieha zo stiahnutých zdrojových súborov. Je dobré sledovať výstup

príkazu cmake .. , pretože nám dáva vedieť, aké balíky sú už na systéme nainštalo-

vané a ktoré chýbajú. Toto všetko sa môže v každej novej verzii meniť a záleží to aj

od stavu operačného systému.

Balíky ktoré potreboval program Ogre:

sudo apt-get install libcppunit-dev libfreetype6-dev libois-dev libois-1.2.0 libqt4-opengl libfreeimage-

dev libfreeimage3 libboost1.40-dev libboost-signals1.40-dev libboost-thread1.40-dev libtbb-dev libtbb2

libpoco-dev

FLTK

FLTK (1998) (Fast Light Toolkit) je C++ balíček na tvorbu GUI pre rôzne systémy,

ako Linux, Windows, MacOS. Podporuje 3D grafiku a OpenGL. Je vytvorený ako

malý a modulárny balík, ktorý môže byť staticky pripojený, ale môže pracovať aj

ako knižnica. Obsahuje UI builder FLUID, vďaka ktorému je tvorba aplikácii jed-

FEI KKUI

Tabuľka 4 – 4 Tiež sa používa cmake pri kompilácii. Inštalácia prebiehala zo zdrojových súborov

zo stránky Bullet (2011), verzia 2.77. Pred kompiláciou treba opraviť hodnotu double precision

OFF na ON v súbore CMakeLists.txt, pretože Gazebo bude hlásiť chybu.

noduchá.

cmake .

make

sudo make i n s t a l l

Tabuľka 4 – 5 Stránka projektu YAML (2001), verzia 0.1.2.

. / c o n f i g u r e

make

Fltk sa dá nainštalovať týmto spôsobom:

sudo apt-get install libfltk1.1-dev

Bullet

sudo make i n s t a l l

(Bullet Collision Detection & Physics) je knižnicou pre detekciu kolízie a dynamiky

tuhého telesa. Knižnica je Open source s možnosťou použitia pre komerčné účely.

Prevzaté zo stránok Bullet (2011).

Inštalácia prebieha nasledovne 4 – 4.

Yaml

Podľa autorov KiKiho, Evansa a Neta môžeme YAML charakterizovať ako jazyk

pre serializáciu dát. Tento jazyk má za cieľ previesť údaje do čo najlepšej čitateľnej

podoby pre človeka a aby bola zabezpečená spolupráca s modernými programovacími

jazykmi. Základom je jednoduché zobrazovanie dát a manipulácia s nimi. Priebeh

inštalácie 4 – 5.

Libxml2

Je to syntaktický analyzátor jazyka XML napísaný v jazyku C, vďaka čomu má

väčšiu prenositeľnosť na iné systémy. XML je rozšírený značkovací jazyk, určený

FEI KKUI

Tabuľka 4 – 6 Verzia 0.10.0 je poslednou oficiálnou verziou, novšie sú zatiaľ len svn verzie.

Kompilujeme a inštalujeme pomocou cmake .., treba sledovať výstup, pretože hlási, ktoré balíky

alebo knižnice nemáme na systéme nainštalované.

mkdir b u i l

cd b u i l d

cmake . .

make

sudo make i n s t a l l

predovšetkým na výmenu údajov medzi aplikáciami. Jazykom XML sa dá opísať št-

ruktúru dokumentu z hľadiska vecného obsahu a nezaoberá sa vzhľadom dokumentu

a jeho častí. Stačí stiahnuť knižnicu pomocou apt-get install.

sudo apt-get install libxml2-dev

4.1.3 Inštalácia Gazeba na Ubuntu Linux 10.04

Zdrojové súbory programu Gazebo je možné stiahnuť zo stránky Gazebo (2010).

Ak ide o verziu svn, čo znamená práve vyvíjaná verzia, je dobré ju stiahnuť do vo-

pred pripraveného priečinku nasledovne:

svn co https://playerstage.svn.sourceforge.net/svnroot/playerstage/code/gazebo/

Táto verzia ešte nie je finálna, postupne sa v nej opravujú chyby z poslednej oficiál-

nej verzie a pridávajú nové veci. Nemusí byť všetko dobre odladené a preto nemusí

správne fungovať. Stalo sa, že pri kompilácii hlásilo problémy vo vlastných zdrojo-

vých súboroch, ktoré sa nepodarilo nájsť na internete, ale ak sa vyznáme v c++,

sme schopný niektoré veci vyriešiť priamo v zdrojových súboroch.

Počas kompilácie sme mali aj takú skúsenosť, kde nám Gazebo nechcel detekovať

správnu verziu potrebného programu. Problém sa nachádzal v súboroch potrebných

pre kompiláciu.

Takže samotná inštalácia by mala prebiehať nasledovne 4 – 6.

FEI KKUI

4.1.4 Zhrnutie inštalácie

V tejto kapitole bola snaha o čo najpodrobnejšie vysvetlenie priebehu inštalácie,

popísanie programov, ktoré bolo potrebné stiahnúť a ich spôsob inštalácie. Poskytnúť

postrehy a návrhy, ktoré by mohli dopomôcť k úspešnému spusteniu Gazeba.

Je treba dávať pozor ešte na jednú vec, a to na odinštalovanie či už Gazeba alebo

jedného z balíkov ktoré potrebuje. Pred novou inštaláciou je potrebné odstrániť celý

pôvodný program, ktorý sa nahrádza, aby nedošlo ku konfliktom pri volaní programu

a nevolali sa staré časti programu.

Na stránkach programu Gazeba sa nachádza gazebo mailing list, v ktorom sú riešené

dotazy užívateľov Gazeba. Sú tam riešené aj problémy ohľadom inštalácie. Takže aj

na týchto stránkach je možné nájsť postrehy, ktoré môžu pomôcť pri inštalovaní

Gazeba.

4.2 Ukážka ovládania robota v prostredí Gazebo

Ukážka riadenia bude prebiehať na modely pioneer2dx, ktorý sa nachádza medzi mo-

delmi Gazeba. Ako už bolo spomenuté v kapitole o modeloch na strane 15, zdrojové

kódy na ovládanie modelov sa nachádzajú v priečinku:

˜/Dokumenty/ svngazebo / gazebo / examples / l i b g a z e b o /

presnejšie pre model pioneer2dx v zložke

˜/Dokumenty/ svngazebo / gazebo / examples / l i b g a z e b o / p o s i t i o n

Program pre komunikáciu s pioneer2dx modelom sa nepodarilo úspešne zkompilovať.

Obsahoval chyby, ktoré sa podarili odstrániť vďaka programu openal, ktorý sa ako

jediný preložil správne.

Chyby boli hlásené ohľadom zápisu:

l i b g a z e b o : : C l i e n t ∗ c l i e n t = new gazebo : : C l i e n t ( ) ;

l i b g a z e b o : : S i m u l a t i o n I f a c e ∗ s i m I f a c e = new gazebo : : S i m u l a t i o n I f a c e ( ) ;

l i b g a z e b o : : P o s i t i o n I f a c e ∗ p o s I f a c e = new gazebo : : P o s i t i o n I f a c e ( ) ;

FEI KKUI

ktorý trebalo prepísať nasledovne:

l i b g a z e b o : : C l i e n t ∗ c l i e n t = NULL;

l i b g a z e b o : : S i m u l a t i o n I f a c e ∗ s i m I f a c e = NULL;

l i b g a z e b o : : P o s i t i o n I f a c e ∗ p o s I f a c e = NULL;

c l i e n t = new l i b g a z e b o : : C l i e n t ( ) ;

s i m I f a c e = new l i b g a z e b o : : S i m u l a t i o n I f a c e ( ) ;

p o s I f a c e = new l i b g a z e b o : : P o s i t i o n I f a c e ( ) ;

Obr. 4 – 1 Ukážka modelu robota pioneer2dx v prostredí Gazebo.

4.2.1 Spojenie sa s modelom pomocou nášho programu

Pre komunikáciu potrebujeme definovať kontrolér. Definícia kontroléru je v tabuľke

4 – 7. Po spustení modelu príkazom

gazebo pioneer2dx . world

sa spustí simulácia a v adresári

\tmp\ gazebo ∗

FEI KKUI

Tabuľka 4 – 7 Definicia kontroléra vrámci modelu pioneer2dx. Názov je controller1. Predposledný

riadok interface obsahuje názov rozhrania, na ktoré sa budeme pripájať, volá sa position iface 0.

l e f t w h e e l h i n g e

r i g h t w h e e l h i n g e

0.39

0.15

5

sa vytvoria dočasné súbory pre komunikáciu. Z týchto súborov potrebujeme

• position.pioneer::position iface 0, pre pripojenie sa na position rozhranie,

• simulation.default, pre rozhranie simulácie.

Potom nám to už len stačí zapísať v programe nasledovne:

simIface −>Open( c l i e n t , ” d e f a u l t ” ) ;

. . .

p o s I f a c e −>Open( c l i e n t , ” p i o n e e r : : p o s i t i o n i f a c e 0 ” ) ;

Týmto spôsobom sme sa pripojili na práve simulovaný model.

4.2.2 Ovládanie modelu

Po pripojení by sme chceli vidieť, čo môžeme s modelom robiť. Pozreli sme sa bližšie

na to, ako model pioneer2dx ovládať. Pomocou rozhrania position môžeme komuni-

kovať s modelom,

načítať údaje o modely. Pred odoslaním príkazu treba nastaviť ‘uzamknutie‘ a po

príkaze ‘odomknutie‘ rozhrania:

p o s I f a c e −>Lock ( 1 ) ;

//sem píšeme príkaz , ktorý má robot vykonať

p o s I f a c e −>Unlock ( ) ;

FEI KKUI

Pri ovládaní modelu sa použili nasledujúce príkazy:

• posIface- > data- > cmdVelocity.pos.x = hodnota, príkaz udávajúci, ako rýchlo

sa má model pohybovať a dáva model do pohybu. Ak sa hodnota = 0, model

stojí, ak hodnota je záporná, tak robot cúva. Ak by sme chceli zistiť rýchlosť

pohybu robota, je ju možné zistiť pomocou spomenutého príkazu.

• posIface- > data- > cmdVelocity.yaw = otočenie, príkaz udávajúci, ako rýchlo

sa má model otočiť okolo svojej osi. Ak je hodnota otočenie kladná, otáča sa

smerom doľava, ak je hodnota nulová, neotáča sa.

Bol navrhnutý jednoduchý program, ktorý čaká na príkaz od užívateľa a následne

pošle požiadavku modelu a ten vykoná akciu. Na obrázku 4 – 2 je vývojový diagram

programu, slúžiaceho na riadenia modelu pioneer2dx. V Linuxe bolo potrebné použiť

funkciu na prestavenie odchytávania kláves, aby nebolo potrebné stláčať enter a

program bežal neustále popri kontrole stlačenia klávesy.

4.3 Ukážka vytvoreného modelu v prostredí Gazebo

Po oboznámení sa s Gazebom a preštudovaní návodov na ich stránkach a modeloch

sa podarilo spraviť jednoduchý model pomenovaný trup. Tento model sa skladá z

piatich častí a troch kĺbov typu Hinge. Je to zjednodušený model trupu, s dvoma

rukami a podstavcom, na ktorom je postavený. Na ďalšom obrázku 4 – 4 je ukážka

pohybu rukou.

4.3.1 Prvé kroky pri tvorbe modelu

Pri tvorbe modelu v Gazebo sme vychádzali zo základov. Najprv bola vyskúšaná

jednoduchú krabicu, podľa návodu Gazebo svn (2010) pre svn verzie. Problém na-

stal pri spustení. V simulátore sa nič neobjavilo. Bolo potrebné doplniť model o časť

. Teraz už všetko fungovalo.

FEI KKUI

Obr. 4 – 2 Zjednodušený vývojový diagram programu ovládajúceho robota pioneer2dx v prostredí

Gazebo.

Pri tvorbe vlastného modelu sme sa inšpirovali modelom bandit a pokúsili sa postaviť

podobný model, ktorého ruky by bolo možné ovládať pomocou bandit kontroléra.

Ak tvoríme model, môže byť nápomocný tag , ktorý keď sa nastaví na

true, tak sa vo svete daný model nepohne. Vtedy lepšie vidíme, ako sa nám podarilo

jednotlivé časti pospájať, alebo môžeme meniť súradnice častí modelu, pokiaľ nám

nevyhovujú. O zmene parametrov je písané v kapitole na strane 26, presnejšie 6.

časť okna simulácie.

Prvá vec bola spraviť podstavec a telo (trup). Všetko toto vrámci jedného tagu

, pričom časti trup a podstavec by boli v tagu . Výsledok mal byť

ako na obrázku 4 – 5 Ale model sa správal neadekvátne tomuto scenáru. Namiesto

toho nevysvetliteľne poletoval v simulácii, ukázané na obrázku 4 – 6. Pomocou tagu

FEI KKUI

Obr. 4 – 3 Prvý úspešný model, ktorého ramená sa ovládajú pomocou kontroléra určeného pre

bandit.model. V tomto modely ide o jednoduché ovládanie oboch ramenných kĺbov.

Obr. 4 – 4 Sled obrázkov ukazujúcich pohyb ruky.

sa podarilo nájsť chybu, kvôli ktorej dochádzalo ku kolízii. Hrúbka pod-

stavca modelu je z=0.1. V simulácii však bola len z=0.05, polovička podstavca sa

nachádzala v kladnej časti osi z, druhá polovica v zápornej. Preto bolo potrebné

nastaviť parameter modelu z na hodnotu z=0.05. Potom už nedochádzalo ku kolízii.

FEI KKUI

Obr. 4 – 5 Prvé kroky pri tvorbe modelu. Model má nastavený parameter static na true, vďaka

čomu stojí a nedochádza ku kolízii.

Obr. 4 – 6 Pri parametry static nastaveného na false sa model správa nevysvetliteľne. Neobjaví

sa na našich zvolených súradniciach, ale po objavení nastáva kolízia súradníc. Snímky sú spravené

pomocou Gazeba, kde v záložke FILE je možnosť zaškrtnúť políčko SAVE FRAMES, vďaka čomu

bude zachytávať sled obrázkov zo simulácie. Nachádza sa chyba pri snímkovaní, pretože obraz je

zakryvený.

4.3.2 Stavba modelu

Ako už bolo spomenuté, výsledný model sa skladá z dvoch rúk, ramena, trupu a

podstavca, bližšie je to znázornené na obrázku 4 – 7. Tag sa skladá zo

FEI KKUI

štyroch častí typu body, a to:

• dolnacast body,

• ramena body,

• ruka body,

• ruka2 body.

Obr. 4 – 7 Celý obrázok predstavuje súbor sveta *.world, v ktorom sú definované jeho časti. V

obrázku sú znázorniť jednotlivé časti celého sveta a modelu, ako sú usporiadané v súbore a ktorá

časť obsahuje ďalšiu časť.

Každá časť body má ďalšiu časť geom, spolu je ich 5:

FEI KKUI

• podstavec geom,

• dolnacast geom,

• ramena geom,

• ruka goem,

• ruka2 geom.

Časť dolnacast body sa skladá z dvoch geom. Zvyšok sveta je rovnaký ako bol opi-

sovaný v kapitole o vytvorení súboru world na strane 17.

Na spájanie jednotlivých častí tela sa použili kĺby.

• kĺb1, spojenie ramena s rukou,

• kĺb2, spojenie druhej ruky s ramenom,

• drz1, prepojenie ramien a dolnej časti,

Rozsah voľnosti kĺbov je od -90 do 90 stupňov. Kĺb drz1 je nastavený ako nepo-

hyblivý, základom je aby spojil ramena s telom. Týmto spôsobom sa podarilo spojiť

časti typu . Ak by ramena boli súčasťou ako , nedalo by sa

spojiť ruky s ramenami pomocou kĺbu, pretože kĺb spája časti typu body. Definície

jednotlivý kĺbov sú v tabuľke 4 – 8

4.3.3 Ovládanie modelu

Základom ovládania je kontrolér. Pre tento model bolo možné použiť už existujúci

kontrolér bandit actarray, ktorý je určený na riadenie kĺbov, ale trebalo pozmeniť

hodnotu počtu kĺbov v súbore Bandit Actarray.hh, presnejšie hodnotu jointcnt na

2, pretože boli hlásené chyby ohľadom modelu a kontroléra.

#d e f i n e JOINTCNT 2

V modely si definujeme kontrolér podľa 4 – 9.

FEI KKUI

Tabuľka 4 – 8 Definícia kĺbov klb1 a klb2. Je vidieť ktoré časti typu body sa spájajú, a ktorá je

použitá ako kotva. V axis sa v ktorom smere sa bude kĺb otáčať a lowstop spolu s hightstop určujú

rozsah stupňov otáčania.

ramena body

ruka body

ramena body

0 0 0

0 1 0

−90

90

0

ramena body

ruka2 body

ramena body

0 0 0

0 1 0

−90

90

0

FEI KKUI

Tabuľka 4 – 9 Definícia kontroléra vrámci modelu. Názov je bandit controller, a nasledujú jed-

notlivé kĺby. Tieto hodnoty budú predané kontroléru bandit controller, aby vedel ktoré časti sa

riadia. Na predposlednom riadku je názov rozhrania, na ktoré sa pripájame naším programom.

Kontroléru sa predávajú len dve pohyblivé kĺby, klb1 a klb2.

1

1

4.3.4 Komunikácia s modelom pomocou programu

Program na riadenie modelu komunikuje s kontrolérom pomocou rozhrania. V našom

prípade rozhrania bandit actarray iface. Ďalej je potrebné pripojenie aj na ďalšie ro-

zhrania a to simulation interface. Posledná vec, ktorú treba zabezpečiť je spojenie

s libgazebo serverom. Tento server nám zabezpečuje komunikáciu s Gazebo simulá-

torom, bližšie popísané na strane 26.

Ukážka pripojenia sa na model pomocou nášho programu je na obrázku 4 – 10. Pri

komunikácii s Gazebom si libgazebo server vytvorí dočasné súbory v adresári

/tmp/gazebo*, pomocou ktorých sa komunikuje so serverom.

Pre nami použitý kontrolér to bude súbor moj actarray iface. Posielanie príkazu na

natočenie kĺbu vyzerá nasledovne:

a c t a r r a y I f a c e −>data−>cmd pos [ 0 ] = DTOR( 1 0 ) ; ,

kde cmd pos je pole kĺbov robota, v našom prípade cmd pos[0] predstavuje kĺb1.

DTOR je funkcia, ktorou sa prepočítavajú stupne na radiány, ktoré sú predávané

kontroléru.

FEI KKUI

Tabuľka 4 – 10 Ukážka zo zdrojového súboru. Vytvoríme nový objekt client, simIface a actar-

rayIface. Pomocou objektu client sa pripájame na libgazebo server, pomocou zvyšných dvoch na

rozhrania simulation a actarray interaface. Pri pripájaní na actarray rozhranie treba použiť meno

z definície kontroléra v našom modely 4 – 9, ktorý sa volá moj actarray iface.

c l i e n t = new l i b g a z e b o : : C l i e n t ( ) ;

s i m I f a c e = new l i b g a z e b o : : S i m u l a t i o n I f a c e ( ) ;

a c t a r r a y I f a c e = new l i b g a z e b o : : A c t a r r a y I f a c e ( ) ;

. . .

c l i e n t −>ConnectWait ( s e r v e r I d , GZ CLIENT ID USER FIRST ) ;

. . .

simIface −>Open( c l i e n t , ” d e f a u l t ” ) ;

. . .

a c t a r r a y I f a c e −>Open( c l i e n t , ” t e l o : : m o j a c t a r r a y i f a c e ” ) ;

. . .

FEI KKUI

5 Analýza možnosti tvorby modelu robota Nao v

prostredí Gazebo

V tejto kapitole sa pokúsime pozrieť na možnosti spolupráce Gazeba a robota Nao,

ako by mohla prebiehať tvorba modelu, z čoho vychádzať a akým spôsobom by

mohla byť zabezpečená komunikácia.

5.1 Krátka špecifikácia robota Nao

Robot Nao je humanoidným autonómnym robotom firmy Aldebaran robotics (2011).

Používa sa vo výskume a aj ako náhrada za robotického psa Aibo v robotickom

futbale Robocup.

Prvá verzia sa objavila roku 2005. Až roku 2008 sa objavila akademická verzia pre

univerzity. Verzia pre domáce prostredie by mala byť uvoľnená v roku 2012.

Nao pre Robocup má 21 stupňov, akademická verzia až 26. Nao obsahuje:

• 4x sonar,

• 2x kamera,

• 2x reproduktor,

• 4x mikrofón,

• infračervený vysielač a prijímač.

Programovať je možné v rôznych jazykoch ako:

• c,

• c++,

• Python,

• Urbi,

FEI KKUI

• .net.

Obr. 5 – 1 Humanoidný robot Nao. Obrázok prevzatý zo stránky upload.wikipedia.org (2011)

Pri programovaní sa používa softvér spoločnosti Aldebaran Robotics, ktorý sa volá

Choreographe. V tomto programe prebieha ovládanie Naa spájaním blokov. Každý

blok tvorí úsek kódu, ktorý sa vykonáva. Z týchto blokov je možné volať vlastné

moduly, ktoré si môžeme naprogramovať. S robotom Nao je možné komunikovať

prostredníctvom bezdrôtového prepojenia Wifi.

5.2 Pohľad na časti tela Naa

Pri tvorbe modelu môžeme vychádzať z Nao SDK balíka. Nachádzajú sa tam pod-

robne popísané a rozobrané jednotlivé časti tela ako napríklad, aké uhly môžu jed-

notlivé kĺby opisovať, aká je hmotnosť jednotlivých častí.

V sekciách

• HARDWARE - popísaná hmotnosť tela, rúk a nôh, uhly otáčania kĺbov a

hmotnosti častí tiel,

• MOTION - popis pohybu Naa a jednotlivých jeho častí.

Vďaka týmto dostupným údajom by malo byť možné zostrojiť model Naa. Jediná

vec čo nám chýba sú rozmery jednotlivých častí tela, o ktorých bude písané neskôr.

FEI KKUI

Tak napríklad na obrázku 5 – 2 je vidieť, ako pracujú kĺby na ľavej nohe, že nohy

robota majú päť stupňov voľnosti. Popis kĺbov a rozsah stupňov je v tabuľke 5 – 1 .

Obr. 5 – 2 Ľavá noha robota Nao, obrázok ukazuje počet kĺbov a hodnoty uhlov, ktoré vedia

dané kĺby opísať. Obrázok pochádza z SDK pre robota Nao verzie 3.3, zdroj Aldebaran robotics

(2011). V SDK sa nachádzajú nákresy aj pre ostatné časti tela Naa.

V sekcii HARDWARE sa nachádza časť masses, kde sú hodnoty hmotností jednot-

livých častí robota Nao, kĺbov, častí rúk aj nôh udávané v gramoch, zoznam je v

tabuľke 5 – 2 .

Na stránkach projektu Simspark (2011) v sekcii modely sa nachádzajú rozmery ro-

bota Nao, viď obrázok 5 – 3, ktoré sú použité simulátor Simspark.

5.3 Možnosti tvorby modelu a komunikácie s Naom v pro-

stredí Gazebo

Pri modelovaní Naa v Gazebo simulátore očakávame, aby bol schopný chôdze. Z

tejto podmienky by mali základ modelu tvoriť nohy. Trup by mohol predstavovať

kváder adekvátnej veľkosti a hmotnosti hornej časti Naa. Poslednou časťou by ostala

horná časť s rukami, ktoré by už potom nemal byť problém dorobiť.

FEI KKUI

Tabuľka 5 – 1 V tabuľke sú pomenované jednotlivé kĺby a ich rozsah v stupňoch. Pri panve

LHipYawPitch a RHipYawPitch sú ovládané jedným motorom, takže ich nie je možné ovládať

nezávisle. Údaje pochádzajú z Nao SDK.

Časť tela názov pohyb v osi rozsah stupňov

Hlava HeadYaw Z od -119.5 do 119.5

HeadPitch Y od -38.5 do 29.5

Pravá ruka RShoulderPitch Y od -119.5 do 119.5

RShoulderRoll Z od -76 do 18

RElbowYaw X od -119.5 do 119.5

RElbowRoll Z od 2 do 88.5

RWristYaw X od -104.5 do 104.5

Ľavá ruka LShoulderPitch Y od -119.5 do 119.5

LShoulderRoll Z od -18 do 76

LElbowYaw X od -119.5 do 119.5

LElbowRoll Z od -88.5 do -2

LWristYaw X od -104.5 do 104.5

Panva* LHipYawPitch Y-Z 45 od -65.62 do 42.44

RHipYawPitch Y-Z 45 od -65.62 do 42.44

Ľavá noha LHipRoll X od -21.74 do 45.29

LHipPitch Y od -101.63 do 27.73

LKneePitch Y od -5.29 do 121.04

LAnklePitch Y od -68.15 do 52.86

LAnkleRoll X od -44.06 to 22.79

Pravá noha RHipRoll X od -42.30 do 23.76

RHipPitch Y od -101.54 do 27.82

RKneePitch Y od -5.29 do 121.47

RAnklePitch Y od -67.97 do 53.40

RAnkleRoll X od -22.27 to 45.03

FEI KKUI

Tabuľka 5 – 2 V tejto tabuľke sa nachádzajú údaje hmotnosti jednotlivých častí robota v gramoch.

Údaje pochádzajú z Nao SDK.

Časť tela váha v gramoch

NAO 4996

Trup 1039.48

Krk 59.30

Hlava 520.65

Pravé rameno 69.96

Pravý biceps 123.09

Pravý lakeť 59.71

Pravé motorizované predlaktie 77.24

Pravá motorizovaná ruka 166.53

Pravá nemotorizovaná ruka 185.00

Pravá panva 71.17

Pravý bok 135.30

Pravé stehno 394.21

Pravá holenná kosť 291.59

Pravý členok 138.92

Pravá noha 161.75

FEI KKUI

Obr. 5 – 3 Obrázok ukazuje rozmery jednotlivých častí tela robota Nao. Tento model je použitý

v simulátore Simspark, zdroj Simspark (2011). Simspark je multi-agentový simulátor pre simuláciu

v 3D prostredí. Používa sa ako oficiálny 3D server pre Robocup.

Stavba tela

Pri vychádzaní z nákresov Naa z obrázka 5 – 3, môžeme pri tvorbe použiť základ

modelu typu box.

. . .

. . .

. . .

FEI KKUI

Horeuvedená schéma môže byť použitá pri tvorbe všetkých častí tela Naa.

Pri spájaní častí tela môžu byť použité kĺby typu:

• Hinge - kĺb s jedným stupňom voľnosti,

• Hinge2 - kĺb s dvoma stupňami voľnosti,

• Ball - guľový kĺb, naskytá sa možnosť použitia aj tohoto kĺbu, ale to by bolo

dobré porovnať vrámci modelu, či je lepší tento typ kĺbu ako Hinge2.

Ak vychádzame z nákresov 5 – 2 môže byť použitie kĺbov nasledovné:

• bedro má dva stupne voľnosti - možnosť použitia kĺbu typu Hinge2 alebo Ball,

• kolenný kĺb s jedným stupňom voľnosti - použitie kĺbu typu Hinge,

• členkový kĺb s dvoma stupňami voľnosti - použitie kĺbu typu Hinge2 alebo

Ball.

Riadenie modelu

Každý model má svoj kontrolér, ktorým je riadený. Gazebo obsahuje niekoľko kon-

trolérov, ale neobsahuje kontrolér pre chôdzu.

V rámci simulácie treba zabezpečiť:

• riadenie kĺbov modelu,

• riadenie pohybu modelu.

Pri riadení kĺbov modelu sa naskytá možnosť použitia kontroléra pre model bandit

menom actarray, ktorý bol aj odskúšaný pri modely trup. Tento kontrolér spolupra-

cuje s kĺbmi typu Hinge. Pre prípad Hinge2 alebo Ball bude pravdepodobne treba

zásah do kontroléra actarray.

Pre riadenie pohybu modelu v simulácii by bolo potrebné naprogramovať vlastný

kontrolér, ktorý by mohol vychádzať z kontroléra position pre model pioneer2dx.

FEI KKUI

Z čisto teoretického hľadiska by aj model mohol kráčať bez tohoto kontroléra, ak by

sa pohybom kĺbov a vplyvom fyziky podarilo zabezpečiť pohyb.

Prepojenie simulácie s reálnym Naom

Načrtajú sa dve možnosti prepojenia modelu Nao s reálnym robotom:

• bez programu Player, kedže Gazebo simulátor má vlastnú knižnicu libgazebo

pre interakciu s modelom. Náš program môže pomocou kontroléra komuniko-

vať s Gazebom cez libgazebo knižnicu, kde vrámci tohoto programu by bola

zahrnutá aj komunikácia s reálnym Nao robotom,

• s programom Player, ktorý sa správa ako server. Nao by komunikoval s Player

serverom pomocou TCP protokolu a predával mu aktuálne informácie o po-

hybe robota, následne Player by ich predával ďalej programu Gazebo, kde by

prebiehala simulácia.

Tvorba modelu robota Nao v prostredí Gazebo nemusí byť jednoduchá. Je potrebné

sa dobre oboznámiť s Gazebom a ako tento simulátor funguje. Tvorba a spájanie

jednotlivých častí modelu by mala byť tá jednoduchšia časť. Zložitejšou časťou je

vytvorenie vlastného kontroléra pre robota, ktorý bude komunikovať s modelom.

FEI KKUI

6 Záver (zhodnotenie riešenia)

Táto práca sa zaoberá softvérovým prostredím Player-Stage-Gazebo, konkrétne 3D

simulátorom Gazebo. Ako prebieha inštalácia a práca v programe, ako sa tvoria

modely robotov a možnosti ich riadenia a komunikácie.

V časti inštalácie je čo najpodrobnejší návod, ako úspešne nainštalovať tento prog-

ram. Nachádzajú sa tam popísané problémy, s ktorými sme sa stretli a postrehy pri

inštalácii. Inštalácia programu Gazebo nie je triviálna. Je potrebné stiahnuť ďalšie

balíky programov a knižníc, ktoré Gazebo na svoj beh využíva. Vyskytujú sa rôzne

scenáre, pri ktorých niektoré komponenty sa inštalujú ľahšie, iné potrebujú zásah

napríklad v súboroch pre kompiláciu programu. Rady a postrehy pri inštalácii je

možné nájsť aj na internete, presnejšie na stránkach programu, kde sa nachádza aj

emailová komunikácia medzi tvorcami softvéru a jeho užívateľmi. Riešia sa tam aj

problémy ohľadom behu samotnej simulácie a práce v nej.

Inštaláciu lepšie zvláda užívateľ pracujúci v systéme Linux, ktorý už má pravdepo-

dobne nadobudnuté väčšie skúsenosti. Výhoda softvéru Player-Stage-Gazebo je tom,

že je to open-source projekt, máme prístup k zdrojovým súborom programu a máme

možnosť meniť časti programu podľa našich predstáv, to znamená, že si môžeme

simulátor prispôsobiť našim požiadavkám.

Následne sme sa zaoberali tvorbou modelu a komunikácie s modelom v simulácii.

Rozobrali sme základ tvorby modelu a chyby, ktoré môžu nastať, ako postupovať

pri tvorbe vlastného modelu. Je priblížená komunikácia s modelom, ako prebieha

pripojenie na model a vytvorili jednoduché ukážky riadenia modelu.

V poslednej kapitole je analýza možnosti tvorby modelu robota Nao v prostredí

Gazebo, čo by nám mohlo pomôcť pri tvorbe, ktoré časti modelov z Gazeba vieme

využiť a ktoré by bolo treba vytvoriť.

FEI KKUI

Literatúra

The Player project. 2011,

http://playerstage.sourceforge.net/index.php?src=index

http://sourceforge.net/projects/playerstage/files/

Stage. 2011,

http://playerstage.sourceforge.net/index.php?src=stage

Gazebo. 2011,

http://playerstage.sourceforge.net/index.php?src=gazebo

Gazebo svn verzia. 2010,

http://playerstage.sourceforge.net/doc/Gazebo-manual-svn-

html/tutorial model.html

Gazebo zdrojové súbory. 2010,

http://sourceforge.net/projects/playerstage/files/

Koenig, N. Howard, A. 2004,

Design and Use Paradigms for Gazebo, An Open-Source Multi-Robot Simulator

Kranz, M. Rusu, R. B. Maldonado, R. A. 2006, A Player/Stage System for Context-

Aware Intelligent Environments

Blender for robotics. 2011,

http://wiki.blender.org/index.php/Robotics:Contents

http://people.mech.kuleuven.be/ bruyninc/blender/roadmap.html

Skupina agentov. 2006,

http://www.spiderland.org/node/14, http://www.spiderland.org/

lpzrobotics. 2010,

http://robot.informatik.uni-leipzig.de/software/

http://www.informatik.uni-leipzig.de/ifi/fileadmin/Bilder/RoboticsGroup/wrestling.jpg

FEI KKUI

Rototics operating system (ROS). 2011,

http://www.ros.org/wiki/Robots

http://en.wikipedia.org/wiki/ROS (Robot Operating System)

http://www.willowgarage.com/pages/software/ros-platform

Open dynamics engine (ODE). 2007,

http://www.ode.org/

http://opende.sourceforge.net/wiki/index.php/Manual (Concepts)#

Soft constraint and constraint force mixing .28CFM.29

Rover. http://playerstage.sourceforge.net/wiki/GazeboUsers.

Correal, R. 2008,

Experiences in Producing a Preliminary Navigation OBSW Prototype for the Exo-

mars Rover Based on EDRES

Microsoft robotics developer studio. 2006,

http://i.msdn.microsoft.com/Bb483094.CompletedAction(en-us,MSDN.10).png

http://en.wikipedia.org/wiki/Microsoft Robotics Developer Studio

RT Middleware. 2011,

http://en.wikipedia.org/wiki/RT middleware

Object-Oriented Graphics Rendering Engine (ODE). 2000,

http://www.ogre3d.org.

Fals Light Toolkit. 1998,

http://www.fltk.org/

Bullet. 2011,

http://bulletphysics.org/wordpress/

YAML. 2001,

www.yaml.org

FEI KKUI

Libxml2. 2001,

http://xmlsoft.org/

XML. 1998,

http://sk.wikipedia.org/wiki/XML

http://www.totalxml.net/history-xml.php

Cmake. 1999,

http://www.cmake.org/

Aldebaran robotics. 2011,

http://www.aldebaran-robotics.com/

Gerkey, B. Vaughan, T. R. Howard, A. 2003,

”The Player/Stage Project: Tools for Multi-Robot and Distributed Sensor Sys-

tems”. In Proceedings of the 11th International Conference on Advanced Robotics

(ICAR 2003), pages 317-323, Coimbra, Portugal, June 2003.

Gergey, B. Stoy, K. Vaughan, T. R. 2011,

”Player Robot Server”. Technical Report IRIS-00-392, Institute for Robotics and

Intelligent Systems, School of Engineering, University of Southern California, No-

vember 2000.

Program Choregraphe. 2011,

http://dkor.files.wordpress.com/2012/04/web aldebaran

choregraphe firstprogram.png?w=600&h=416

Nao robot. 2011,

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c3/Nao humanoid

robot.jpg/800pxNao humanoid robot.jpg

Simspark. 2011,

http://simspark.sourceforge.net/wiki/index.php/Models

Bodnár, E. 2009,

FEI KKUI

Riadenie chôdze robota Aibo s využitím neurónových sietí. Bakalárska práca. Ko-

šice : Technická univerzita v Košiciach, Fakulta elektrotechniky a informatiky

Zoznam príloh

Príloha A CD médium - diplomová práca v elektronickej podobe , prílohy v elek-

tronickej podobe, zdrojové súbory a súbory modelov.

Príloha B Systémová príručka

Príloha C Používateľská príručka

FEI KKUI

7 Príloha B

Funkcia programov

Prvý program pioneer.cc slúži na riadenie modelu pioneer2dx, ktorý je súčasťou

softvéru Gazebo. Druhý program trup.cc slúži na riadenie robota s trupom.

Program pioneer.cc sa pokúsi nadviazať spojenie s programom Gazebo. Po úspe-

šnom pripojení máme možnosť ovládania modelu pioneer2dx.

Program trup.cc sa pripája na druhý model s trupom, taktiež nám umožňuje ovlá-

danie modelu, presnejšie jeho rúk.

Požiadavky na technické prostredie

Programy bežia pod systémom Linux, presnejšie boli testované na systéme Ubuntu

10.04. Na preklad programu potrebujeme prekladač Cmake.

Program pioneer Program sa skladá z jedného súboru pioneer.cc. Tento súbor má

na starosti pripojenie sa na model a komunikáciu s modelom.

Preklad programu

Program pioneer sa nachádza v adresári pioneer spolu so súbormi pre kompiláciu.

Kompilácia programu prebieha príkazmi nasledovne:

cmake .

a následne

make

Týmto spôsobom dostávame spustiteľný súbor pioneer. Pri kompilácii sa používajú

make súbory Gazeba.

Popis častí programu

inštancie:

• client,

• simIface,

FEI KKUI

• posIface.

rozhrania:

• SimulationIface - rozhranie simulácie,

• P ositionIface - rozhranie pre zmenu pozície.

funkcie:

• changemode - zmena módu konzoly,

• kbhit - zistenie stlačenia klávesy.

Pripojenie na simuláciu

Táto časť programu ukazuje spôsob nadviazania komunikácie s Gazebom.

l i b g a z e b o : : C l i e n t ∗ c l i e n t = NULL;

l i b g a z e b o : : S i m u l a t i o n I f a c e ∗ s i m I f a c e = NULL;

l i b g a z e b o : : P o s i t i o n I f a c e ∗ p o s I f a c e = NULL;

c l i e n t = new l i b g a z e b o : : C l i e n t ( ) ;

s i m I f a c e = new l i b g a z e b o : : S i m u l a t i o n I f a c e ( ) ;

p o s I f a c e = new l i b g a z e b o : : P o s i t i o n I f a c e ( ) ;

i n t s e r v e r I d = 0 ;

std : : cout

FEI KKUI

}

simIface −>Open( c l i e n t , ” d e f a u l t ” ) ;

catch ( std : : s t r i n g e )

{

}

std : : cout

FEI KKUI

• posIface->data->cmdVelocity.pos.x = hodnota; - udáva robota do pohybu

rýchlosťou hodnoty hodnota, ak je záporná, robot cúva,

• posIface->data->cmdVelocity.yaw = otocenie; - rýchlosť otáčania robota udá-

vaná hodnotou otocenie, ak je záporná, otáča sa doprava.

Algoritmus riadenia

V tejto časti programu prebieha samotné riadenie. Je riešené tak, že program čaká

na stlačenú klávesu a vyhodnocuje ju. Kvôli tejto časti sú použité funkcie kbhit a

changemode, ktoré majú na starosti prepínanie módu konzoly, aby bolo možné hneď

reagovať na stlačenú klávesu, bez nutnosti stlačenia ENTER.

Riadenie:

changemode ( 1 ) ; / / zmena modu k o n z o l i kvoly odchytavaniu k l a v i e s

while ( znak != ’q ’ ) / / p o k i a l sa n e s t l a c i q pre ukoncenie programu

{

}

while ( ! kbhit ( ) )// p o k i a l n i e j e s t l a c e n a k l a v e s a

{

changemode ( 0 ) ; / / n a s t a v e n i e zmeny modu k l a v e s na povodny

kvoly n a c i t a n i u hodnot

switch ( znak )// vyhodnotenie k l a v e s n i c e a predanie prikazu

{ . . . }

r i a d e n i a modelu

changemode ( 1 ) ; / / zmena modu k o n z o l i kvoly odchytavaniu k l a v i e s

znak = getchar ( ) ; / / z i s t i s t l a c e n u klavesu

switch ( znak )// vyhodnotenie klavesy a n a s t a v e n i e pre cast , p o k i a l n i e j e

{ . . . } s t l a c e n a k l a v e s n i c a

changemode ( 0 ) ; / / n a s t a v e n i e modu k l a v e s na povodny

Program trup

Taktiež sa skladá z jedného súboru trup.cc, ktorý má na starosti pripojenie a komu-

nikáciu s modelom.

Preklad programu

Program trup sa nachádza v adresári trup spolu so súbormi pre kompiláciu. Kom-

FEI KKUI

pilácia programu prebieha príkazmi nasledovne:

cmake.

a následne

make

Týmto spôsobom dostávame spustiteľný súbor trup. Pri kompilácii sa používajú

make súbory Gazeba.

Popis častí programu

inštancie:

• client,

• simIface,

• actarrayIface.

rozhrania:

• SimulationIface - rozhranie simulácie,

• ActarrayIface - rozhranie pre zmenu hodnôt kĺbov.

funkcie:

• DTOR - prevod stupňov na radiány,

• RTOD - prevod radiánov na stupne.

Pripojenie na simuláciu

Pripojenie je rovnaké ako pri programe pioneer, pridáva sa nová časť pre pripojenie

na ActarrayIface a odpadá časť pre PositionIface.

try

{

}

a c t a r r a y I f a c e −>Open( c l i e n t , ” t e l o : : m o j a c t a r r a y i f a c e ” ) ;

catch ( std : : s t r i n g e )

{

std : : cout

FEI KKUI

}

Unlock ( ) ; / / po p r i k a z e

Príkazy riadenia:

• actarrayIface->data->cmd pos[i] = DTOR(klb); - kde hodnota i predstavuje

poradové číslo kĺbu robota.

Algoritmus riadenia

Po pripojení sa na náš model, program čaká na pokyn. Ak sa zadá klávesa q, ukončí

sa program, ak klávesa 1 alebo 2, nastáva riadenie kĺbov.

while ( znak != ’q ’ ) / / ak s t l a c e n e q , ukoncit program

{

}

i n t i , klb ;

std : : cout znak ;

i f ( znak != ’q ’ )

{

}

i f ( znak == ’1 ’) i =1;

e l s e i =2;

std : : coutklb ; / / n a c i t a n i e hodnoty klbu

a c t a r r a y I f a c e −>Lock ( 1 ) ;

a c t a r r a y I f a c e −>data−>cmd pos [ i −1] = DTOR( klb ) ; / / p r i k a z pre n a t o c e n i e klbu

a c t a r r a y I f a c e −>Unlock ( ) ;

FEI KKUI

Záver

Programy trup a pioneer je možné nájsť v prílohe na CD v priečinku s rovnakým

názvom. Na CD prílohe sa nachádza aj balíček zdrojových kódov programu Gazebo

a vytvorený model trup.

FEI KKUI

8 Príloha C

Funkcia programov

Program trup riadi model trupu s rukami, program pioneer slúži na riadenie mo-

delu pioneer. Oba programy bežia pod systémom Linux. Program pre riadenie

modelu trup

Pred spustením samotného programu treba otvoriť simuláciu modelu trup, ktorý sa

nachádza v tom istom priečinku ako náš program a volá sa trup.model.

Model spustíme nasledovným spôsobom:

gazebo trup . model

Po tomto príkaze sa nám spustí okno simulácie zobrazené na obrázku 8 – 1 .

V priečinku trup sa nachádza program trup, ktorý spustíme po otvorení simulácie,

aby sa vedel pripojiť na simuláciu týmto spôsobom:

. / trup

Po úspešnom prihlásení vyzerá program ako na obrázku 8 – 2 .

Program pre riadenie modelu pioneer2dx

Pred spustením simulácie modelu pioneer2dx sa musíme dostať do priečinku, kde sa

model nachádza, a to je:

/ usr / l o c a l / share / gazebo / worlds

Teraz môžeme spustiť simuláciu:

gazebo pioneer2dx . world

Simulácia robota pioneer2dx na obrázku 8 – 3 .

Program pioneer sa nachádza v priečinku pioneer a spustíme ho:

. / p i o n e e r

FEI KKUI

otvorí sa okno simulácie 8 – 4 .

Záver

Programy trup a pioneer je možné nájsť v prílohe na CD v priečinku s rovnakým

názvom. Na CD prílohe sa nachádza aj balíček zdrojových kódov programu Gazebo

a vytvorený model trup.

Obr. 8 – 1 Model trup počas simulácie v programe Gazebo.

FEI KKUI

Obr. 8 – 2 Okno programu pre riadenie modelu trup.

Obr. 8 – 3 Model pioneer2dx počas simulácie v programe Gazebo.

FEI KKUI

Obr. 8 – 4 Okno programu pre riadenie modelu pioneer2dx.

Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov Player-Stage ...

Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov Player-Stage ... ... View more Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov Player-Stage ...

Delete template?

Save as template ?

Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov Player-Stage ... Analýza softvérového prostredia pre riadenie robotov Player-Stage ...