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基于MPI的分布式并行gazebo仿真优化与测试

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计算机科学 2021年第S2期48卷 672-677,692页

作者：蒋化南张帅林宇斐李豪天津(滨海)人工智能军民融合创新中心天津300280 军事科学院北京100000

gazebo作为机器人通用仿真平台,能够在复杂的室内和室外环境中准确模拟机器人行为,并在单节点上支持多机器人的协同仿真。但执行仿真任务中如果启动成百上千台机器人,通常会发现gazebo性能参考值(RTF)仿真实时比会降低两个数量级,甚至... 详细信息

gazebo作为机器人通用仿真平台,能够在复杂的室内和室外环境中准确模拟机器人行为,并在单节点上支持多机器人的协同仿真。但执行仿真任务中如果启动成百上千台机器人,通常会发现gazebo性能参考值(RTF)仿真实时比会降低两个数量级,甚至出现仿真错误的情况,仿真性能会成为其主要制约因素。为了实现机器人集群的高性能仿真,探索了基于MPI的跨节点ROS+gazebo仿真平台搭建方法,核心过程是针对确定的仿真任务进行并行划分,可采用编号划分或区域划分,将划分好的各个子任务部署到各计算节点的gazebo上进行仿真,最后通过gazebo之间的MPI进程通信保证仿真的同步和一致性,以此实现机器人分布在不同计算节点上的协同仿真。同时编写了固定翼和四旋翼同构和异构的仿真测试案例,通过脚本程序读入world配置文件和roslaunch文件来实现,设计了对用户友好的与ROS类似的启动方式,进行了单节点和跨节点的性能测试,验证了分布式并行仿真的优越性。

关键词： MPI gazebo ROS 机器人集群高性能仿真

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基于异步机制的gazebo仿真优化研究

计算机科学 2020年第S2期47卷 593-598页

作者：曾蕾李豪林宇斐张帅天津(滨海)军民融合人工智能创新中心天津300457 军事科学院北京100000

在大规模机器人仿真过程中,为了保证仿真精度,通常采用基于时间步的推进机制。这种机制下,虽然可以通过调整仿真时间步灵活控制仿真精度,但当仿真规模较大时,在仿真循环的每次迭代中需要采用同步阻塞的方式,执行大量用于更新位姿或状态... 详细信息

在大规模机器人仿真过程中,为了保证仿真精度,通常采用基于时间步的推进机制。这种机制下,虽然可以通过调整仿真时间步灵活控制仿真精度,但当仿真规模较大时,在仿真循环的每次迭代中需要采用同步阻塞的方式,执行大量用于更新位姿或状态的插件代码,从而导致仿真性能降低。针对这一大规模机器人仿真所面临的精度与性能之间的矛盾,提出了一种基于异步策略的优化方案,并在流行的机器人仿真器gazebo中对优化方案进行了设计实现,最后基于rosflight固定翼无人机案例,验证了方案的有效性。实验结果表明,对于100架固定翼无人机的仿真,采用异步策略优化重构后,仿真加速比达到了5.0以上。

关键词： gazebo ROS 异步策略优化重构高精度实时仿真大规模

ROS/gazebo环境下的机械臂运动规划研究

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煤矿机械 2018年第3期39卷 42-44页

作者：刘一鸣许辉耿长兴陈国栋苏州大学机器人与微驱动研究中心江苏苏州215000

针对机械臂在复杂作业环境中的人机安全问题,对机械臂的运动规划方法进行仿真研究。为降低研究工作复杂性,在ROS中建立自主研发机械臂的仿真模型,并完成虚拟样机的虚拟控制系统的搭建。利用开源物理仿真引擎gazebo模拟机械臂在真实工作... 详细信息

针对机械臂在复杂作业环境中的人机安全问题,对机械臂的运动规划方法进行仿真研究。为降低研究工作复杂性,在ROS中建立自主研发机械臂的仿真模型,并完成虚拟样机的虚拟控制系统的搭建。利用开源物理仿真引擎gazebo模拟机械臂在真实工作环境下静力学、动力学约束,通过ROS、gazebo联合仿真的方式,对改进的快速扩展随机树算法的在高维规划空间中规划性能进行仿真分析。

关键词：运动规划 ROS gazebo RRT

基于gazebo和Docker的群体机器人仿真系统设计

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组合机床与自动化加工技术 2021年第11期 105-108,113页

作者：晏杰王彦臻林彬金松昌武云龙赵名扬国防科技创新研究院人工智能研究中心北京100071 天津(滨海)人工智能研究中心天津300457 国防科技大学计算机学院高性能计算国家重点实验室长沙410000

对群体机器人仿真系统进行了研究,分析了目前群体机器人仿真系统所存在的不足,设计和实现了一种基于gazebo和Docker容器的群体机器人仿真系统。使用gazebo对机器人平台和所处环境进行逼真和精细建模仿真,使用Docker容器对机器人的控制... 详细信息

对群体机器人仿真系统进行了研究,分析了目前群体机器人仿真系统所存在的不足,设计和实现了一种基于gazebo和Docker容器的群体机器人仿真系统。使用gazebo对机器人平台和所处环境进行逼真和精细建模仿真,使用Docker容器对机器人的控制软件进行打包和隔离,Docker容器和gazebo之间基于DDS通信传输控制指令与机器人的状态数据。仿真通过后,Docker容器中的机器人控制软件即可直接用于真实的机器人中。仿真实验表明,所设计的群体机器人仿真系统能够对群体机器人的机器人控制软件进行有效仿真验证。

关键词：群体机器人仿真 gazebo Docker DDS

基于gazebo的半虚拟化机械臂及应用场景的设计

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基于GAZEBO的半虚拟化机械臂及应用场景的设计

作者：秦吉军青岛科技大学

学位级别：硕士

现如今对机器人的研究进行的如火如荼,并取得了很大进展,研究成果也广泛应用与大众领域。机械臂是一种比较成熟的机器人,其集合了计算机、电子信息、控制程等多领域知识,更是作为人工智能学习最好的载体,现已广泛应用到了高校的日常实... 详细信息

现如今对机器人的研究进行的如火如荼,并取得了很大进展,研究成果也广泛应用与大众领域。机械臂是一种比较成熟的机器人,其集合了计算机、电子信息、控制程等多领域知识,更是作为人工智能学习最好的载体,现已广泛应用到了高校的日常实验教学中。但是由于机械臂设备成本较高,大多数高校会受到设备数量限制,并且设备使用频率高导致损坏率高,高校实验室建设成本高,同时完全虚拟化实验的应用场景及开发环境不够真实。为了能够让机械臂更好的应用于高校教学实验中,不受设备等因素影响,本文采用半虚拟化仿真的方法,将对实体机械臂的操作换成对虚拟模型的控制,并设计虚拟接口版作为机械臂控制中间件,控制指令由接口板传递到仿真系统中,同时采用机器视觉技术,获取当前现实场景并通过仿真模型设计,将现实场景转为仿真背景使用,并且由机器视觉对目标物体进行检测,得到目标物的位置坐标传输给仿真控制程序,进而控制虚拟机械臂运动。经过实验验证,本设计中的虚拟机械臂在接收到目标物体位置信息后,可成功运动到仿真环境中目标物体处。由此可得出本课题的研究对于高校应用机械臂到教学实验中有非常大的价值。本论文主要研究内容如下:（1）对机械臂运动学建模进行分析,研究其正运动学模型以及逆运动学模型和笛卡尔空间轨迹规划,不仅可通过传递各个关节转动角度控制机械臂运动到目标位置,还可通过传递机械臂顶端的预期位置信息,逆向规划所有关节在时间上的转动轨迹点,最终达到预期位置。（2）通过URDF文件对虚拟机械臂进行模型创建,并描述机械臂惯性特性等物理性质。采用当前国际主流的机器人控制系统ROS系统控制机械臂,使用ROS中的Move It软件包配置机械臂运动规划所需的所有设置。为能够更好的控制仿真机械臂,设计Move It控制器用来管理自定义创建的机械臂关节运动文件,可控制启动所有机械臂关节。本文采用gazebo仿真软件展示虚拟机械臂的控制响应,为实现虚拟机械臂转动控制与仿真展示的交互,设计了基于ROS的控制架构,可实现ROS与gazebo的实时通讯。通过Move It软件包进行运动规划后,可在gazebo仿真软件中展示虚拟机械臂的运动。（3）为实现半虚拟化机械臂控制,设计虚拟接口卡,该虚拟接口卡有双向作用,既可以用于向虚拟机械臂传递控制指令,又可将机械臂的运行状态传递给机械臂转动控制程序。在实际应用过程中,由运行在嵌入式设备中程序发送的关节运动命令经过虚拟接口卡转换,可变成GPIO引脚脉冲量信号,通过接口传递给仿真平台,控制虚拟机械臂运动。（4）为实现现实场景与虚拟仿真相结合,为仿真设计添加机器视觉功能。创建仿真模型文件,将摄像机拍摄的现实场景图片经过处理导入到仿真平台作为虚拟机械臂运动的仿真背景。采取Faster R-CNN算法进行目标物体视觉识别,使用张氏标定法以获得相机内参数及畸变参数,并使用手眼标定,取得目标物体在相机坐标中位置信息和机器人坐标中位置信息的转变关联,最后使虚拟机械臂获取正确目标位姿,并规划运动。通过实验检测现实中各种水果位置,并将目标的位置信息传递到转动控制程序中,经过路径规划,仿真软件中机械臂成功转动到了仿真背景中目标水果的位置。

关键词：机械臂 Ros gazebo 半虚拟化仿真机器视觉

电液直驱五轴机械臂系统设计及gazebo物理仿真方法研究

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电液直驱五轴机械臂系统设计及Gazebo物理仿真方法研究

作者：杨杰广东工业大学

学位级别：硕士

负载能力是衡量机械臂性能重要指标,由于关节型机械臂多为电机直接驱动,工作过程中电机随关节一起运动,导致关节输出转矩受制于驱动电机的重量,转矩越大所需要的电机尺寸就越大,电机自重对负载能力的影响也越大。本文提出将电液直驱技... 详细信息

负载能力是衡量机械臂性能重要指标,由于关节型机械臂多为电机直接驱动,工作过程中电机随关节一起运动,导致关节输出转矩受制于驱动电机的重量,转矩越大所需要的电机尺寸就越大,电机自重对负载能力的影响也越大。本文提出将电液直驱技术作为关节型机械臂的动力驱动方式以提高其负载能力,基于此设计了一种电液直驱五轴机械臂系统,并采用模糊自适应PID算法优化电液直驱系统的性能。电液直驱机械臂关节的主要特点有:（1）电液直驱关节是一种间接驱动关节,通过油路将驱动电机与关节油缸分离减小了关节的体积、重量;（2）液压油缸具有很高的能量密度,同等体积下输出转矩远高于电机减速器的组合;（3）电液直驱是一种转速容积泵控系统,其控制对象是伺服电机,相对于液压阀控系统具有体积小、易控制、结构精简、能效高、污染低的特点。真实机械臂工作时要受到惯性、转动惯量、摩擦力、障碍物等因素的影响,这些影响因素往往是非线性或难以预测的。为了获得接近真实的仿真效果,运动仿真往往在带有物理引擎的仿真环境进行。本文采用ROS框架下的轨迹规划软件Moveit!与物理仿真环境gazebo联合仿真的形式对机械臂进行了高效、真实、可视化的轨迹规划仿真。具体研究内容如下:电液直驱五轴机械臂结构设计。电液直驱机械臂具有特殊的结构形式,其关节控制对象是伺服电机,执行机构是液压油缸,而且每个关节是独立驱控的模块化结构。整机结构可划分为:单个关节液压系统、关节机械传动结构、整机臂型结构。通过分析电液直驱机械臂系统的特点,主要从液压系统动态性能优化、轻量化原则两个方面进行了有针对性地设计、选型。设计出了一款结构紧凑、重量轻、模块化的五轴机械臂。电液直驱系统控制性能研究。电液直驱技术最主要的缺点是系统动态性能不高,除此之外,电液直驱技术作为机械臂关节动力驱动还存在许多非线性因素。本文通过建立电液直驱系统的数学模型,分析了影响系统动态性能的主要参数,采用模糊自适应PID算法对系统中存在的非线性扰动加以抑制,并通过AMEsim-Simulink联合仿真的形式模拟了的模糊自适应PID控制器的控制效果,结果显示模糊自适应PID算法比常规PID算法在控制效果上有一定的改善。基于gazebo的物理仿真方法研究。充分利用目前流行的机器人操作系统ROS的便利性,以本文所设计五轴机械臂hybot为例,研究了轨迹规划器Moveit!与物理仿真环境gazebo联合仿真的实施过程。事实证明,这种方法可以快速搭建机械臂仿真环境,并进行高质量的物理仿真,极大地高了机械臂控制软件的研发效率。

关键词：电液直驱直驱式容积控制液压机械臂 ROS gazebo

ROS/gazebo在SLAM算法评估中的应用

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兵工自动化 2022年第4期41卷 87-92页

作者：丁林祥陶卫军东南大学成贤学院机械与电气工程学院南京210088 南京理工大学机械工程学院南京210018

为解决对即时定位与地图构建(simultaneous location and mapping,SLAM)算法进行评估时难以获得精确的机器人实际运动轨迹和环境参数的问题,使用ROS/gazebo仿真软件进行评估。通过ROS/gazebo软件建立配置有多种传感器的机器人模型和参... 详细信息

为解决对即时定位与地图构建(simultaneous location and mapping,SLAM)算法进行评估时难以获得精确的机器人实际运动轨迹和环境参数的问题,使用ROS/gazebo仿真软件进行评估。通过ROS/gazebo软件建立配置有多种传感器的机器人模型和参数已知的仿真环境,让机器人模型在仿真环境中运行并收集传感器信息以形成数据集,使用该方法对2种2D激光SLAM算法进行评估分析。结果表明,该方法可有效解决上述问题。

关键词： SLAM ROS gazebo gmapping hector_slam

基于gazebo的地下矿可视化建模和控制仿真技术

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中国新技术新产品 2022年第23期 15-18页

作者：姚蔚利中国中煤能源集团有限公司北京100120

在开发无人驾驶车辆控制策略的过程中,仿真对在不同环境中测试软件组件、车辆运动行为和控制算法非常重要。该文介绍了一种基于gazebo的地下矿无人驾驶车辆可视化建模和控制仿真技术,以搭建地下矿仿真环境、无人驾驶车辆模型以及测试MP... 详细信息

在开发无人驾驶车辆控制策略的过程中,仿真对在不同环境中测试软件组件、车辆运动行为和控制算法非常重要。该文介绍了一种基于gazebo的地下矿无人驾驶车辆可视化建模和控制仿真技术,以搭建地下矿仿真环境、无人驾驶车辆模型以及测试MPC控制算法。结果表明,在gazebo中正确创建地下矿环境及无人驾驶车辆模型后,可以获取较真实的车辆运动学模型,从而对MPC控制算法进行测试,并可以将车辆实际运动轨迹和参考轨迹等关键信息可视化,呈现良好的仿真效果。

关键词：无人驾驶车辆 gazebo 建模仿真

基于gazebo和PX4的强化学习训练仿真环境接口设计与实现

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电子技术与软件工程 2022年第5期 68-71页

作者：孙翔龙梁彦刚国防科技大学空天科学学院湖南省长沙市410073

本文基于PX4飞控的四旋翼无人机在gazebo仿真环境中进行强化学习训练的相关研究中,需要解决强化学习与仿真环境交互接口问题。本文首先介绍了PX4飞控、外部程序、gazebo仿真环境相互间的交互方式,然后介绍了用于无人机自主着陆控制问题... 详细信息

本文基于PX4飞控的四旋翼无人机在gazebo仿真环境中进行强化学习训练的相关研究中,需要解决强化学习与仿真环境交互接口问题。本文首先介绍了PX4飞控、外部程序、gazebo仿真环境相互间的交互方式,然后介绍了用于无人机自主着陆控制问题研究的强化学习基本模型。为了有效支撑强化学习训练,重点研究了基于gazebo和PX4的无人机仿真环境接口程序的设计与实现方法。经实验验证,该方法编写的接口程序能够顺利运行,实现强化学习训练与仿真环境的交互功能。

关键词： gazebo PX4 强化学习仿真环境