Помощь студентам в учебе
ВИРТУАЛЬНОЕ ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И КЛИМАТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ЗАДАЧАХ СИМУЛЯЦИИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
|
Обозначения и сокращения 5
Введение 7
Глава 1. Исследование актуальных проектов и сравнение инструментов моделирования 10
1.1 Актуальные проекты в области роботизированных ТС 10
1.2. Исследование и сравнение инструментов реализации виртуальных моделей
робототехники 12
1.3. Исследование и сравнение инструментов реализации виртуальных моделей ТС 14
1.4. Выводы 18
Глава 2. Математические модели и методы. Алгоритмы решения 19
2.1. Математическая модель ТС и воздействующие физические силы 19
2.1.1. Распределение колёсной нагрузки 23
2.1.2. Статическая колёсная нагрузка 24
2.1.3. Уравнение покоя 27
2.2. Типы соединений элементарных сочленений механических деталей ТС .... 27
2.2.1. Вращательное соединение (Revolute) 28
2.2.2 Шестереночная передача (Gearbox) 28
2.2.3 Вращательное соединение по двум осям (Revolute2) 29
2.2.4 Поступательное соединение (Prismatic) 29
2.2.5 Сферическое соединение (Ball) 30
2.2.6 Винтовое соединение (Screw) 30
2.2.7 Фиксированное соединение (Fixed) 31
2.3 Моделирование работы датчиков 31
2.3.1 Оптическая камера 31
2.3.2. Автомобильный сонар 33
2.3.3. Лидарный тип датчиков 34
2.3.4. Инерциальный датчик 35
2.3.5. Радар 35
2.4. Моделирование воздействия ветра 37
2.4.1. Размещение unit-линка в геометрическом центре каждого линка каждой
модели 40
2.4.2. Получение габаритов ограничивающего параллелепипеда 44
2.4.3. Вычисление координат вершин ограничивающего параллелепипеда в
локальной системе координат unit-линка 45
2.4.4. Сохранение или обновление позиции unit-линка в глобальной системе
координат 46
2.4.5. Вычисление координат вершин ограничивающего параллелепипеда в
глобальной системе координат 47
2.4.6. Вычисление координат вектора внешней нормали к каждой грани
ограничивающего параллелепипеда 49
2.4.7. Определение граней для последующего воздействия внешней силы 51
2.4.8. Определение точек воздействия внешней силы для каждой грани 53
2.4.9. Поворот объектов виртуального мира для достижения определённого
направления направляющего вектора ветра 57
2.4.10. Определение точек воздействия, не перекрываемых ни одной гранью
ограничивающего параллелепипеда объекта виртуального мира 60
2.4.11 Приложение внешней силы в точках воздействия 64
2.5 Выводы 64
Глава 3. Вычислительная реализация 65
3.1. Выбранные средства реализации 65
3.1.1. Графическое моделирование - Ogre 3D 65
3.1.2. Моделирование физики - DART 66
3.1.3. Робототехнический симулятор - Gazebo 67
3.1.4. Моделирование погодных эффектов - Pro-SiVIC 68
3.1.5. Программирование модулей ПО - Qt 69
3.2. Создание модели ТС 70
3.3. Моделирование и установка датчиков на модель ТС 73
3.3.1. Сонары 74
3.3.2. Лидары 75
3.3.3. Камеры 76
3.3.4. Радар 77
3.3.5. Инерциальная сборка 78
3.4. Создание моделей динамических объектов 78
3.5. Создание плагинов для Gazebo 80
3.5.1. Плагин радара 80
3.5.2 Плагин для управления ТС 80
3.5.3 Плагин для управления динамическими объектами 81
3.6 Программное обеспечение оператора 82
3.6.1 ПО управления ТС 82
3.6.2 ПО управления динамическими объектами 83
3.7 Симуляция погодных эффектов 83
3.7.1 Система эмуляции ветра в Gazebo 83
3.7.2. Установка небесного свода и времени суток 84
3.7.3. Симуляция погоды в Pro-Sivic 86
3.8. Виртуальные модели полигонов 89
3.9 Система виртуального моделирования 90
3.10 Выводы 91
4. Результаты использования и внедрения. Достоверность полученных результатов 93
4.1. Испытания базовых алгоритмов управления ТС 93
4.2. Движение на площадке с неформализованной окружающей обстановкой -
случайными препятствиями и случайной траекторией 95
4.3. Движение по дороге с разметкой с использованием сведений распознаваемой
разметки и знаков дорожного движения 98
4.4. Испытания работы системы технического зрения 100
4.5. Испытания подсистемы регулировки курса ТС с помощью подсистемы
воздействия сил ветра 101
4.6. Выводы 103
Заключение 104
Список использованных источников 106
Введение 7
Глава 1. Исследование актуальных проектов и сравнение инструментов моделирования 10
1.1 Актуальные проекты в области роботизированных ТС 10
1.2. Исследование и сравнение инструментов реализации виртуальных моделей
робототехники 12
1.3. Исследование и сравнение инструментов реализации виртуальных моделей ТС 14
1.4. Выводы 18
Глава 2. Математические модели и методы. Алгоритмы решения 19
2.1. Математическая модель ТС и воздействующие физические силы 19
2.1.1. Распределение колёсной нагрузки 23
2.1.2. Статическая колёсная нагрузка 24
2.1.3. Уравнение покоя 27
2.2. Типы соединений элементарных сочленений механических деталей ТС .... 27
2.2.1. Вращательное соединение (Revolute) 28
2.2.2 Шестереночная передача (Gearbox) 28
2.2.3 Вращательное соединение по двум осям (Revolute2) 29
2.2.4 Поступательное соединение (Prismatic) 29
2.2.5 Сферическое соединение (Ball) 30
2.2.6 Винтовое соединение (Screw) 30
2.2.7 Фиксированное соединение (Fixed) 31
2.3 Моделирование работы датчиков 31
2.3.1 Оптическая камера 31
2.3.2. Автомобильный сонар 33
2.3.3. Лидарный тип датчиков 34
2.3.4. Инерциальный датчик 35
2.3.5. Радар 35
2.4. Моделирование воздействия ветра 37
2.4.1. Размещение unit-линка в геометрическом центре каждого линка каждой
модели 40
2.4.2. Получение габаритов ограничивающего параллелепипеда 44
2.4.3. Вычисление координат вершин ограничивающего параллелепипеда в
локальной системе координат unit-линка 45
2.4.4. Сохранение или обновление позиции unit-линка в глобальной системе
координат 46
2.4.5. Вычисление координат вершин ограничивающего параллелепипеда в
глобальной системе координат 47
2.4.6. Вычисление координат вектора внешней нормали к каждой грани
ограничивающего параллелепипеда 49
2.4.7. Определение граней для последующего воздействия внешней силы 51
2.4.8. Определение точек воздействия внешней силы для каждой грани 53
2.4.9. Поворот объектов виртуального мира для достижения определённого
направления направляющего вектора ветра 57
2.4.10. Определение точек воздействия, не перекрываемых ни одной гранью
ограничивающего параллелепипеда объекта виртуального мира 60
2.4.11 Приложение внешней силы в точках воздействия 64
2.5 Выводы 64
Глава 3. Вычислительная реализация 65
3.1. Выбранные средства реализации 65
3.1.1. Графическое моделирование - Ogre 3D 65
3.1.2. Моделирование физики - DART 66
3.1.3. Робототехнический симулятор - Gazebo 67
3.1.4. Моделирование погодных эффектов - Pro-SiVIC 68
3.1.5. Программирование модулей ПО - Qt 69
3.2. Создание модели ТС 70
3.3. Моделирование и установка датчиков на модель ТС 73
3.3.1. Сонары 74
3.3.2. Лидары 75
3.3.3. Камеры 76
3.3.4. Радар 77
3.3.5. Инерциальная сборка 78
3.4. Создание моделей динамических объектов 78
3.5. Создание плагинов для Gazebo 80
3.5.1. Плагин радара 80
3.5.2 Плагин для управления ТС 80
3.5.3 Плагин для управления динамическими объектами 81
3.6 Программное обеспечение оператора 82
3.6.1 ПО управления ТС 82
3.6.2 ПО управления динамическими объектами 83
3.7 Симуляция погодных эффектов 83
3.7.1 Система эмуляции ветра в Gazebo 83
3.7.2. Установка небесного свода и времени суток 84
3.7.3. Симуляция погоды в Pro-Sivic 86
3.8. Виртуальные модели полигонов 89
3.9 Система виртуального моделирования 90
3.10 Выводы 91
4. Результаты использования и внедрения. Достоверность полученных результатов 93
4.1. Испытания базовых алгоритмов управления ТС 93
4.2. Движение на площадке с неформализованной окружающей обстановкой -
случайными препятствиями и случайной траекторией 95
4.3. Движение по дороге с разметкой с использованием сведений распознаваемой
разметки и знаков дорожного движения 98
4.4. Испытания работы системы технического зрения 100
4.5. Испытания подсистемы регулировки курса ТС с помощью подсистемы
воздействия сил ветра 101
4.6. Выводы 103
Заключение 104
Список использованных источников 106
Последние десятилетия можно охарактеризовать значительным ростом числа разработок робототехнических систем и, в частности, беспилотных транспортных средств с сопровождающимся развитием дорожной инфраструктуры. Одним из важных этапов разработки подобных систем может являться комплексное моделирование как самих роботов различного назначения, так и взаимодействующих с ними объектов, окружающей обстановки и погодных условий. Проведение испытаний на виртуальных моделях роботов, схожих по физическим свойствам их реальным аналогам, поможет выявлять алгоритмические ошибки и ошибки конструирования на этапе тестирования виртуальной модели, что в свою очередь будет способствовать существенному сокращению финансовых и временных затрат на ремонт и замену дорогостоящих деталей при проведении испытаний в различных средах. Основные тенденции современной робототехники направленны на развитие искусственного интеллекта, важным для которого является система технического зрения и важную роль для ее корректной работы при моделировании самого робота играет моделирование системы сенсорики.
Цель работы — разработка системы достоверно управляемых физикокинематических моделей целевых платформ и основных факторов окружающей среды с обеспечением воспроизведения динамических и распределенных процессов и моделированием физических взаимодействий объектов на виртуальных полигонах в задаче разработки беспилотного грузового транспортного средства.
Объект исследования — система виртуального физического моделирования технических средств и климатических явлений в задачах симуляции сложных технических систем.
Предмет исследования — подсистемы моделирования беспилотного ТС, обеспечения управления ТС, моделирования окружающей обстановки и воздействия ее элементов на целевую платформу на виртуальном полигоне, погодных условий, информационного обмена системами ADAS и системой машинного зрения.
Задачи, поставленные для достижения цели:
1) Исследовать актуальные задачи разработки робототехнических и беспилотных транспортных систем, определить проблематики разработки системы;
2) Исследовать и провести сравнительный анализ существующих средств моделирования сложных технических систем и систем моделирования транспортной инфраструктуры;
3) Разработать и программно реализовать модели грузового транспортного средства (сложной технической системы), исследовать и определить воздействующие на него физические силы, типы соединений механических элементов ТС;
4) Разработать и программно реализовать модели элементов подсистемы сенсорики для ТС: сонар, лидар, акселерометр, радар, камеру оптического диапазона;
5) Обеспечить симуляцию погодных эффектов в виртуальной системе, разработать и реализовать алгоритма воздействия ветра на модели системы;
6) Разработать и программно реализовать системы виртуального физического моделирования технических средств и ее информационных процессов, включающую подсистемы моделирования ТС, обеспечения управления ТС, моделирования окружающей обстановки и воздействия ее элементов на целевую платформу на виртуальном полигоне, погодных условий, информационного обмена системами ADAS и системой машинного зрения.
Научная новизна — комплексное воспроизведение динамических и распределенных процессов и управление факторами окружающей среды для создания систем достоверной симуляции робототехнических мета-систем - виртуальных полигонов.
Методы исследования — методы математического моделирования, методы виртуального моделирования, численные методы, методы построения информационных систем.
Практическая ценность:
1) Проведение испытаний в виртуальной системе моделей беспилотных транспортных средств, полностью соответствующих по физическим свойствам их реальным аналогам, поможет выявлять алгоритмические ошибки и недочеты конструирования на этапе тестирования виртуальной модели, что в свою очередь будет способствовать существенному сокращению финансовых и временных затрат на ремонт и замену дорогостоящих деталей при проведении испытаний в различных средах;
2) Формирование виртуальной окружающей обстановки снимает ограничения в местности проведения испытаний, возникает возможность испытывать роботов на больших по площади территориях и их быстрому переформированию.
Теоретическая значимость исследования — разработка системы виртуального физического моделирования технических средств и климатических явлений в задачах симуляции сложных технических систем может служить базой для проведения дальнейших исследований не только в области моделирования беспилотных транспортных средств, но и других областях науки, где используются сложные технические системы.
Цель работы — разработка системы достоверно управляемых физикокинематических моделей целевых платформ и основных факторов окружающей среды с обеспечением воспроизведения динамических и распределенных процессов и моделированием физических взаимодействий объектов на виртуальных полигонах в задаче разработки беспилотного грузового транспортного средства.
Объект исследования — система виртуального физического моделирования технических средств и климатических явлений в задачах симуляции сложных технических систем.
Предмет исследования — подсистемы моделирования беспилотного ТС, обеспечения управления ТС, моделирования окружающей обстановки и воздействия ее элементов на целевую платформу на виртуальном полигоне, погодных условий, информационного обмена системами ADAS и системой машинного зрения.
Задачи, поставленные для достижения цели:
1) Исследовать актуальные задачи разработки робототехнических и беспилотных транспортных систем, определить проблематики разработки системы;
2) Исследовать и провести сравнительный анализ существующих средств моделирования сложных технических систем и систем моделирования транспортной инфраструктуры;
3) Разработать и программно реализовать модели грузового транспортного средства (сложной технической системы), исследовать и определить воздействующие на него физические силы, типы соединений механических элементов ТС;
4) Разработать и программно реализовать модели элементов подсистемы сенсорики для ТС: сонар, лидар, акселерометр, радар, камеру оптического диапазона;
5) Обеспечить симуляцию погодных эффектов в виртуальной системе, разработать и реализовать алгоритма воздействия ветра на модели системы;
6) Разработать и программно реализовать системы виртуального физического моделирования технических средств и ее информационных процессов, включающую подсистемы моделирования ТС, обеспечения управления ТС, моделирования окружающей обстановки и воздействия ее элементов на целевую платформу на виртуальном полигоне, погодных условий, информационного обмена системами ADAS и системой машинного зрения.
Научная новизна — комплексное воспроизведение динамических и распределенных процессов и управление факторами окружающей среды для создания систем достоверной симуляции робототехнических мета-систем - виртуальных полигонов.
Методы исследования — методы математического моделирования, методы виртуального моделирования, численные методы, методы построения информационных систем.
Практическая ценность:
1) Проведение испытаний в виртуальной системе моделей беспилотных транспортных средств, полностью соответствующих по физическим свойствам их реальным аналогам, поможет выявлять алгоритмические ошибки и недочеты конструирования на этапе тестирования виртуальной модели, что в свою очередь будет способствовать существенному сокращению финансовых и временных затрат на ремонт и замену дорогостоящих деталей при проведении испытаний в различных средах;
2) Формирование виртуальной окружающей обстановки снимает ограничения в местности проведения испытаний, возникает возможность испытывать роботов на больших по площади территориях и их быстрому переформированию.
Теоретическая значимость исследования — разработка системы виртуального физического моделирования технических средств и климатических явлений в задачах симуляции сложных технических систем может служить базой для проведения дальнейших исследований не только в области моделирования беспилотных транспортных средств, но и других областях науки, где используются сложные технические системы.
Цель работы достигнута. Разработана система достоверно управляемых физико-кинематических моделей целевых платформ и основных факторов окружающей среды с обеспечением воспроизведения динамических и распределенных процессов и моделированием физических взаимодействий объектов на виртуальных полигонах в задаче разработки беспилотного грузового транспортного средства.
Задачи, поставленные для достижения цели выполнены:
1) Исследованы актуальные задачи разработки робототехнических и беспилотных транспортных систем, определить проблематики разработки системы;
2) Исследованы и проведен сравнительный анализ существующих средств моделирования сложных технических систем и систем моделирования транспортной инфраструктуры;
3) Разработана и программно реализована модель грузового
транспортного средства (сложной технической системы), исследованы и определены воздействующие на него физические силы, типы соединений механических элементов ТС;
4) Разработана и программно реализована модель элементов
подсистемы сенсорики для ТС: сонар, лидар, акселерометр, радар, камеру оптического диапазона;
5) Обеспечена симуляция погодных эффектов в виртуальной системе, разработан и реализован алгоритм воздействия ветра на модели системы;
6) Разработана и программно реализована система виртуального физического моделирования технических средств и ее информационных процессов, включающую подсистемы моделирования ТС, обеспечения управления ТС, моделирования окружающей обстановки и воздействия ее элементов на целевую платформу на виртуальном полигоне, погодных условий, информационного обмена системами ADAS и системой машинного зрения;
Проведены испытания разработанной системы. Результаты испытаний показали высокий уровень достоверности разработанной системы (максимальное отклонение от маршрута не более 1м, СКО - не более 0,3 м - без учета времени проезда).
Разработанная система виртуального физического моделирования показала высокий уровень эффективности, позволила отладить отдельные элементы системы, без нанесения вреда целевой платформе и окружающим объектам. Виртуальная система позволила отладить взаимодействие информационных процессов между различными подсистемами ТС. В результате все прошедшие испытания подсистемы системы беспилотного грузового транспортного средства были перенесены на реальное ТС с минимальными затратами.
Результаты работы внедрены в профильные НИОКР, проводимых ПАО «КАМАЗ» и внесены в научно-технический задел по предприятию для создания перспективных ADAS-систем, а также для создания беспилотных транспортных средств.
Результаты исследования, опубликованные в изданиях ВАК:
Чикрин Д.Е., Егорчев А.А., Свалова И.Е., Державин Д.В. «Виртуальной физическое и визуальное моделирование работы механических элементов технических систем» // Перспективы науки, №3(102), 2018, стр. 25-32.
Задачи, поставленные для достижения цели выполнены:
1) Исследованы актуальные задачи разработки робототехнических и беспилотных транспортных систем, определить проблематики разработки системы;
2) Исследованы и проведен сравнительный анализ существующих средств моделирования сложных технических систем и систем моделирования транспортной инфраструктуры;
3) Разработана и программно реализована модель грузового
транспортного средства (сложной технической системы), исследованы и определены воздействующие на него физические силы, типы соединений механических элементов ТС;
4) Разработана и программно реализована модель элементов
подсистемы сенсорики для ТС: сонар, лидар, акселерометр, радар, камеру оптического диапазона;
5) Обеспечена симуляция погодных эффектов в виртуальной системе, разработан и реализован алгоритм воздействия ветра на модели системы;
6) Разработана и программно реализована система виртуального физического моделирования технических средств и ее информационных процессов, включающую подсистемы моделирования ТС, обеспечения управления ТС, моделирования окружающей обстановки и воздействия ее элементов на целевую платформу на виртуальном полигоне, погодных условий, информационного обмена системами ADAS и системой машинного зрения;
Проведены испытания разработанной системы. Результаты испытаний показали высокий уровень достоверности разработанной системы (максимальное отклонение от маршрута не более 1м, СКО - не более 0,3 м - без учета времени проезда).
Разработанная система виртуального физического моделирования показала высокий уровень эффективности, позволила отладить отдельные элементы системы, без нанесения вреда целевой платформе и окружающим объектам. Виртуальная система позволила отладить взаимодействие информационных процессов между различными подсистемами ТС. В результате все прошедшие испытания подсистемы системы беспилотного грузового транспортного средства были перенесены на реальное ТС с минимальными затратами.
Результаты работы внедрены в профильные НИОКР, проводимых ПАО «КАМАЗ» и внесены в научно-технический задел по предприятию для создания перспективных ADAS-систем, а также для создания беспилотных транспортных средств.
Результаты исследования, опубликованные в изданиях ВАК:
Чикрин Д.Е., Егорчев А.А., Свалова И.Е., Державин Д.В. «Виртуальной физическое и визуальное моделирование работы механических элементов технических систем» // Перспективы науки, №3(102), 2018, стр. 25-32.