Simulation

Simulationsumgebungen stellen ein wichtiges Werkzeug zur Entwicklung von autonomen Robotersteuerungen dar. Im Folgenden werden verschiedene Simulationswerkzeuge und ihre Anwendung in der Forschung präsentiert.

SimVis3D

SimVis3D ist eine 3D Simulationssoftware welche für das Roboterframework Finroc entwickelt wurde. Sie basiert auf Open-Inventor und der Newton Physikengine und stellt simulierte Sensorik wie Kameras, Laser Scanner, Infrarot, Ultraschall oder PMD Sensorik bereit. Eine Simulationsszene bindet beliebige 3D Modelle ein, welche über eine XML Datei eingelesen und in einen Szenengraphen überführt werden. Zur Laufzeit kann ein Nutzer mit der Szene interagieren und diese über C++ Schnittstellen zur Laufzeit verändern. Die Software wurde zur Simulation von vielfältigen Roboter eingesetzt, zum Beispiel den mobilen Roboter RAVON, MARVIN, ARTOS, dem Bagger THOR, oder der Laufmaschine BIPED.

Mit SimVis3D wurde das Framework zum autonomatisierten Testen TAURUS entwickelt. Es ermöglicht die Spezifikation von komplexen Testfällen. TAURUS-Tests bestehen aus einer Szenario-Beschreibung, die die Navigationsbefehle und eine "Mission", die der Roboter ausführen soll, enthält. Verschiedene Parameter des simulierten Roboters und seiner Umwelt werden dabei aufgezeichnet und für die Auswertung benutzt. Wenn eine Invariante (z.B. Zeitüberschreitung, Kollision,...) festgestellt wird, wird diese Information nach jedem Durchlauf in einem Bericht zur Verfügung gestellt. TAURUS selbst besteht aus einem Verhaltensnetzwerk, das zwischen das laufende Programm und der Benutzeroberfläche geschaltet ist. So steuert es automatisch die verschiedenen Testfälle, setzt Parameter und Konfigurationen.

Ogre-PhysX

Die Ogre-PhysX Simulation wurde als Nachfolger der SimVis3D Software entwickelt. Sie basiert auf dem Grafikframework OGRE3D und NVIDIA PhysX und bietet eine erweitere Performance und verbesserte Grafik. So wurden komplexe Search & Rescue Szenarien abgebildet, in denen vollständige Häuser mit tausenden Objekten dynamisch simuliert wurden, um autonome Rettungs- und Erkundungsmission durchzuführen. Hierbei wurden Gefahrenquellen wie Feuer oder instabile Umgebungssegmente performant abgebildet, sodass die Robotersteuerung dahingehend optimiert werden konnte solche Situtationen adäquat zu bewältigen. Neben diesem Szenario wurden ebenso große offene Welten umgetzt, in denen autonome Fahrten über weite Strecken ermöglicht sowie Landwirtschaftsprozesse simuliert wurden.

Die Simulation wurde für die Steuerungsentwicklung der Roboter Gator, SUGV, und LUGV eingesetzt.

 

 

V-REP

Die virtual robot experimentation platform (V-REP) ist eine Simulationsengine von Coppelia Robotics. Sie unterstützt unter anderem C/C++, Python, Lua, Octave, Urbi und Matlab. Zur Simulation von Physik stehen verschiedene Engines bereit wie Newton, Bullet, ODE oder Vortex. V-REP interagiert mit dem Finroc Framework durch eine C++ Schnittstelle. Finroc stellt hierfür ein V-REP Plugin bereit, kann aber auch über die Remote API kommunizieren.

V-REP wurde unter anderem für die Simulation der  Roboter Gator, Unimog, Backhoe und CARL eingesetzt. Neben Sensorik wie 2D und 3D Lasern, GNSS, IMU wurden auch charakteristische Sensorstörungen und Effekte implementiert. So können für die Bestimmung von GNSS-Signalen, reale Satellitendaten aus Finroc ausgelesen werden und somit Störungen durch Abschattungen realistisch berechnet werden.

Unreal Engine 4

Die Unreal Engine 4 ist eine professionelle Spieleengine, die von Epic Games entwickelt wird. Die Plattform bietet photorealistisches Rendern, Anbindung von VR, offenes Weltendesign, Blueprint-Scripting und vollen C++ Quellzugriff. Projekte wie NVIDIA FleX ergänzen die bestehende PhysX Engine mit Partikelsimulationen. Ein Marketplace bietet Zugriff auf eine große Anzahl von Projekten und Inhalten.

Finroc ist als Unreal Projekt realisiert welches die Finroc-Laufzeitumgebung und Ports aus der Engine startet. Hierbei ist es möglich Roboter in einer komplexen, offenen, photorealistischen Welten zu steuern und mit dieser zu interagieren. Das detailgetreue Simulieren von Sensorik berücksichtigt beispielsweise typische Kameraüberblendungen, -rauschen, oder -unschärfe welche in realen Systemen großen Einfluss auf die Steuerung haben.

Unreal wird derzeit in Straßenbauszenarien mit den Walzen BW154 und BW147 für das AMMCOA Projekt eingesetzt, wo einige Kilometer der Bundesstraße B10 rekonstruiert und simuliert werden. Ebenso werden Gator, Unimog, Backhoe und die Umfelderkennung der Mobilkräne des SafeguARd Projekts damit virtuell getestet.

Relevant Publications

2018

Alexander Matheis
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Realistic Simulation of GPS Signal Quality for Autonomous Robots by using Virtual Satellites
Project Report, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2018, February 13, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Patrick Wolf
Ganesh Sundaram
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Modelling and Simulation of Behaviour-Based Differential and Slippage Control for Unimog
Project Report, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2018, January 31, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Patrick Wolf

2017

Hannes Endres
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Geländerekonstruktion basierend auf 3D-Punktwolken
Bachelor's Thesis, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2017, December 13, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Patrick Wolf
Karsten Berns, Patrick Wolf
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Autonomie in unwegsamem Gelände. Aktuelle Zwischenergebnisse des CVC-Leitprojekts zum autonomen Fahrbetrieb von Nutzfahrzeugen im Off-Road Bereich
in CVC News, vol. 2, pp. 8--11, 2017, September
Marius Gräfe
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Automatic generation of a simulation environment from robot sensed data
Master's Thesis, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2017, September 29, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Patrick Wolf
Philipp Feldmann
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Integration of GNSS / IMU into Unreal Engine and Finroc
Project Report, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2017, September 30, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Patrick Wolf
Frank Schnicke
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Integration of the Finroc Framework into the Unreal Engine for Robot Simulation
Project Report, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2017, September 30, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Patrick Wolf

2015

Matthias Jung, Songlin Piao, Thiyagarajan, Purusothaman, Xiao Pan, Thomas Kuhn, Christoph Grimm, Karsten Berns, Norbert Wehn
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Virtual Development on Mixed Abstraction Levels: an Agricultural Vehicle Case Study
Synopsys Users Group(SNUG) Germany 2015, 2015

2014

Daniel Schmidt, Karsten Berns
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3D Realtime Simulation Framework for Wall-Climbing Robots - Towards the new Climbing Robot CREA
17th International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR), pp. 559-566, 2014, July 21-23, Poznan, Poland

2013

Daniel Schmidt, Karsten Berns
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Development and Applications of a Simulation Framework for a Wall-Climbing Robot
26th International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 2321-2326, 2013, November 3-7, Tokyo Big Sight, Japan
Daniel Schmidt, Tamas Juhasz, Karsten Berns, Ulrich Schmucker
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Interconnection of the behavior-based control architecture and a detailed mechatronic machine model for realistic behavior verification of the Thor project
Informatik 2013, Springer, 2013, September 16-20, Koblenz, Germany

2012

Dr. Tamas Juhasz, Daniel Schmidt, Lisa Kiekbusch, Prof. Ulrich Schmucker, Prof. Karsten Berns
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Modellierung und verteilte Simulation eines autonomen Mobilbaggers
in Tagungsband Fachtagung Digitales Engineering zum Planen, Testen und Betreiben Technischer Systeme, pp. 123-130, 2012, June 26-28

2011

Syed Atif Mehdi, Jens Wettach, Karsten Berns
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A Simulated Environment for Elderly Care Robot
Pervasive and Embedded Computing and Communication Systems (PECCS), pp. 562-567, 2011, March 5-7, Vilamoura, Algarve, Portugal

2010

Jens Wettach, Daniel Schmidt, Karsten Berns
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Simulating Vehicle Kinematics with SimVis3D and Newton
Proceedings of the 2nd International Conference on Simulation, Modeling, and Programming for Autonomous Robots (SIMPAR'10), Springer-Verlag Berlin, pp. 156-167, 2010, November 15-18, Darmstadt, Germany, ISBN: 978-3-642-17318-9
Norbert Schmitz, Jochen Hirth, Karsten Berns
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A Simulation Framework for Human-Robot Interaction
Proceedings of the International Conferences on Advances in Computer-Human Interactions (ACHI), pp. 79-84, 2010, February 10-16, St. Maarten, Netherlands Antilles

2007

Tim Braun, Jens Wettach, Karsten Berns
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A Customizable, Multi-Host Simulation and Visualization Framework for Robot Applications
Proceedings of the 13th International Conference on Advanced Robotics (ICAR07), pp. 1105-1110, 2007, August 21-24, Jeju, Korea
T. Braun, J. Wettach, K. Berns
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A Customizable, Multi-Host Simulation and Visualization Framework for Robot Applications
Recent Progress in Robotics: Viable Robotic Service to Human, Selected papers from ICAR07, LNCIS Series, Springer-Verlag, vol. 370, pp. 357--369, 2007