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機(jī)器人系統(tǒng)常用仿真軟件介紹和效果

1 主要介紹以下七種仿真平臺(側(cè)重移動(dòng)機(jī)器人仿真而非機(jī)械臂等工業(yè)機(jī)器人仿真)： 1.1 USARSim-Unified System for AutomaTIon and Robot SimulaTIon USARSim是一個(gè)基于虛擬競技場引擎設(shè)計(jì)高保真多機(jī)器人環(huán)境仿真平臺。主要針對地面機(jī)器人，可以被用于研究和教學(xué)，除此之外，USARSim是RoboCup救援虛擬機(jī)器人競賽和虛擬制造自動(dòng)化競賽的基礎(chǔ)平臺。使用開放動(dòng)力學(xué)引擎ODE(Open Dynamics Engine)，支持三維的渲染和物理模擬，較高可配置性和可擴(kuò)展性，與Player兼容，采用分層控制系統(tǒng)，開放接口結(jié)構(gòu)模擬功能和工具框架模塊。機(jī)器人控制可以通過虛擬腳本編程或網(wǎng)絡(luò)連接使用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人仿真、訓(xùn)練軍隊(duì)新兵、消防及搜尋和營救任務(wù)的研究。機(jī)器人和環(huán)境可以通過第三方軟件進(jìn)行生成。軟件遵循免費(fèi)GPL條款，多平臺支持可以安裝并運(yùn)行在Linux、Windows和MacOS操作系統(tǒng)上。 "http://sourceforge.net/projects/usarsim/" 1.2 Simbad Simbad是基于Java3D的用于科研和教育目的多機(jī)器人仿真平臺。主要專注于研究人員和編程人員熱衷的多機(jī)器人系統(tǒng)中人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和更多通用的人工智能算法一些簡單的基本問題。它擁有可編程機(jī)器人控制器，可定制環(huán)境和自定義配置傳感器模塊等功能，采用3D虛擬傳感技術(shù)，支持單或多機(jī)器人仿真，提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)化算法等工具箱。軟件開發(fā)容易，開源，基于GNU協(xié)議，不支持物理計(jì)算，可以運(yùn)行在任何支持包含Java3D庫的Java客戶端系統(tǒng)上。 "http://simbad.sourceforge.net/" 1.3 Webots Webots是一個(gè)具備建模、編程和仿真移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)平臺，主要用于地面機(jī)器人仿真。用戶可以在一個(gè)共享的環(huán)境中設(shè)計(jì)多種復(fù)雜的異構(gòu)機(jī)器人，可以自定義環(huán)境大小，環(huán)境中所有物體的屬性包括形狀、顏色、文字、質(zhì)量、功能等也都可由用戶來進(jìn)行自由配置，它使用ODE檢測物體碰撞和模擬剛性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，可以精確的模擬物體速度、慣性和摩擦力等物理屬性。每個(gè)機(jī)器人可以裝配大量可供選擇的仿真?zhèn)鞲衅骱万?qū)動(dòng)器，機(jī)器人的控制器可以通過內(nèi)部集成化開發(fā)環(huán)境或者第三方開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，控制器程序可以用C，C++等編寫，機(jī)器人每個(gè)行為都可以在真實(shí)世界中測試。支持大量機(jī)器人模型如khepera、pioneer2、aibo等，也可以導(dǎo)入自己定義的機(jī)器人。全球有超過750個(gè)高校和研究中心使用該仿真軟件，但需要付費(fèi)，支持各主流操作系統(tǒng)包括Linux, Windows和MacOS。 "http://www.cyberboTIcs.com/" 1.4 MRDS-Microsoft RoboTIcs Developer Studio MRDS是微軟開發(fā)的一款基于Windows環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)化、基于服務(wù)框架結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制仿真平臺，使用PhysX物理引擎，是目前保真度最高的仿真引擎之一，主要針對學(xué)術(shù)、愛好者和商業(yè)開發(fā)，支持大量的機(jī)器人軟硬件。MRDS是基于實(shí)時(shí)并發(fā)協(xié)調(diào)同步CCR(Concurrency and Coordination Runtime)和分布式軟件服務(wù)DSS(Decentralized Software Services)，進(jìn)行異步并行任務(wù)管理并允許多種服務(wù)協(xié)調(diào)管理獲得復(fù)雜的行為，提供可視化編程語言(VPL)和可視化仿真環(huán)境(VSE)[28,29]。支持主流的商業(yè)機(jī)器人，主要編程語言為C#，非商業(yè)應(yīng)用免費(fèi)，但只支持在Windows操作系統(tǒng)下進(jìn)行開發(fā)。 "http://msdn.microsoft.com/zh-tw/library/bb648760.aspx" "http://msdn.microsoft.com/library/bb648760" "http://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=29081" 1.5 PSG-Player/Stage/Gazebo PSG是由美國南加州大學(xué) (USC)開發(fā)的一套針對機(jī)器人和傳感器系統(tǒng)研究的免費(fèi)平臺，包含網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部分Player和機(jī)器人平臺仿真部分Stage與Gazebo。Player定義了機(jī)器人和傳感器與Stage和Gazebo通信接口，Stage是2D環(huán)境，提供基本碰撞檢測和距離傳感器模型但不支持物理仿真，Gazebo是3D環(huán)境使用ODE物理引擎。PSG提供聲納、激光掃描測距儀、碰撞檢測和執(zhí)行器等虛擬機(jī)器人設(shè)備，支持進(jìn)行多機(jī)器人仿真。它是目前在研究和教學(xué)方面最流行的開源機(jī)器人仿真軟件，開發(fā)的程序通過簡單的修改甚至無需修改即可應(yīng)用于實(shí)體機(jī)器人的控制，因此可以大大降低研究成本、縮減研究周期。大量的主要智能機(jī)器人期刊和會(huì)議發(fā)表的文章都使用PSG作為真實(shí)和模擬的仿真實(shí)驗(yàn)平臺。免費(fèi)軟件，基于GNU協(xié)議，這款軟件是在Unix系統(tǒng)上開發(fā)，只支持Linux和Mac OS。 "http://playerstage.sourceforge.net/" "http://www.gazebosim.org/" 1.6 MissionLab MissionLab是佐治亞理工學(xué)院 (Gatech)開發(fā)的一組功能強(qiáng)大的平臺用于開發(fā)和測試單個(gè)或一組機(jī)器人行為。通過Missionlab生成的代碼可以直接控制主流商用機(jī)器人，包括ARTV-Jr、iRobot、AmigoBot、Pioneer AT和MRV-2等。Missionlab最主要的優(yōu)點(diǎn)在于它支持仿真和真實(shí)機(jī)器人同時(shí)實(shí)驗(yàn)。MissionLab是分布式體系結(jié)構(gòu)，主要有六個(gè)核心組件：mlab、CfgEdit、cdl、cnl、HServer和CBRServer。使用CMDL和ODL作為開發(fā)配置語言。它起初是為DARPA開發(fā)用于研究在敵對環(huán)境多智能體機(jī)器人系統(tǒng)靈活反應(yīng)控制，現(xiàn)已開源，僅支持Linux操作系統(tǒng)。 "http://www.cc.gatech.edu/aimosaic/robot-lab/research/MissionLab/" 1.7 MORSE-Modular OpenRobots Simulation Engine MORSE是一款通用的多機(jī)器人仿真平臺，主要特點(diǎn)是能控制實(shí)際仿真的自由度，可以自由設(shè)計(jì)符合自己需求的組件模型，運(yùn)用Blender實(shí)時(shí)游戲引擎進(jìn)行原始渲染，設(shè)計(jì)適合的體系結(jié)構(gòu)，支持通用的網(wǎng)絡(luò)接口。它提供了大量可配置的傳感器和執(zhí)行器模塊，高度的可擴(kuò)展性，提供人與機(jī)器人的交互仿真，使用Python編程，有豐富的文檔并且易于安裝但無法進(jìn)行精確的動(dòng)力學(xué)仿真，時(shí)鐘同步能力性能較差，多機(jī)器人仿真時(shí)可能出現(xiàn)不同步情況。目前有5所學(xué)校和科研機(jī)構(gòu)使用，開源軟件，僅限于Linux和MacOSX操作系統(tǒng)。 "https://www.openrobots.org/wiki/morse/" 1.8 其他常用機(jī)器人仿真軟件 ROS----"http://www.ros.org/" V-Rep----"http://www.v-rep.eu/" MRPT----"http://www.mrpt.org/" 空中機(jī)器人仿真模擬軟件 Orbiter----"http://orbit.medphys.ucl.ac.uk/" Flighntgear----"http://www.flightgear.org.cn/forum.php" 2 評價(jià)指標(biāo) 為了從機(jī)器人研究者的角度去客觀地評價(jià)這些仿真軟件，需要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文的基于Alexander、Craighead、Michael等學(xué)者前期工作，確定了評估機(jī)器人仿真平臺的通常標(biāo)準(zhǔn)：逼真度、可擴(kuò)展性、開發(fā)簡易性和成本，這四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以用來判斷任何一款虛擬機(jī)器人仿真軟件，但對于多機(jī)器人系統(tǒng)而言，由于其分布式等特點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)化的要求也越來越高，因此網(wǎng)絡(luò)功能也是一個(gè)不可缺少的重要指標(biāo)。仿真軟件按照這些標(biāo)準(zhǔn)被分為高中低三個(gè)層次。 2.1 逼真度 2.1.1 物理逼真度物理逼真度是指物理環(huán)境的相貌、聲音和感受逼近真實(shí)操作環(huán)境的程度。當(dāng)一個(gè)仿真軟件不能模擬操作環(huán)境的感受，它可以模擬環(huán)境視覺和聽覺部分。Alexander證明研究效果可以被更高逼真度的仿真軟件加強(qiáng)。以機(jī)器人操作為例，操作者一般是遠(yuǎn)離操作環(huán)境的，一個(gè)高逼真度的視覺和聽覺仿真軟件與操作真實(shí)機(jī)器人相比相差不大。通過每個(gè)仿真軟件的視覺渲染和音頻性能確定它們物理逼真度的等級。一個(gè)高物理逼真度的仿真軟件可以渲染高分辨率紋理、材質(zhì)、燈光、反射和凹凸貼圖等。模型使用大量多邊形，而不是使用紋理貼圖作為幾何建模主要部分。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性必須被正確顯示。一個(gè)高物理逼真度的仿真軟件還包括機(jī)器人和環(huán)境感覺的高度融合。一個(gè)中物理逼真度的仿真軟件能夠通過3D渲染環(huán)境，對于物體細(xì)節(jié)則沒有要求。一個(gè)低物理逼真度的仿真軟件只能通過2D渲染環(huán)境并沒有聲音。 2.1.2 功能逼真度功能逼真度是指仿真中機(jī)器人行為逼近真實(shí)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)操作環(huán)境和裝備反應(yīng)的程度。功能逼真度的首要目的就是指仿真軟件使用者期望得到與真實(shí)裝備相比相似的行為。通過比較物理特性仿真性能確定功能逼真度等級。高功能逼真度定位為仿真大部分作用在機(jī)器人和驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)特性包括重力、牽引力、電機(jī)或與其他物體機(jī)器人等碰撞產(chǎn)生的加速度都能精確顯示，并能詳細(xì)測量和記錄狀態(tài)信息用于分析。中功能逼真度包括機(jī)器人整體的動(dòng)力學(xué)仿真，但無法對單個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行仿真。低功能逼真度是指軟件不能仿真在機(jī)器人上的力學(xué)行為只能仿真速度和位置等運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。 2.2 可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性是指仿真軟件適應(yīng)多種應(yīng)用的能力。主要表現(xiàn)為仿真實(shí)驗(yàn)算法開發(fā)實(shí)現(xiàn)不能受限于仿真軟件功能。包括是否可以較容易地增加和減少機(jī)器人，定制傳感器和驅(qū)動(dòng)器模塊種類的多少，能否提供模塊化的標(biāo)準(zhǔn)接口支持第三方軟件開發(fā)，仿真程序應(yīng)用與真實(shí)機(jī)器人的可移植性的好壞。 2.3 開發(fā)簡易性開發(fā)簡易性是指使用仿真軟件開發(fā)適用機(jī)器人的難易程度。包括環(huán)境與機(jī)器人配置的復(fù)雜程度，軟件配置新裝備的復(fù)雜程度，支持編程語言的種類，軟件的開發(fā)文檔的豐富性，通信接口配置的通用性。 2.4 成本成本包括費(fèi)用花費(fèi)和時(shí)間花費(fèi)。主要為初次安裝和開發(fā)過程中必須消耗的時(shí)間、軟件的價(jià)格等。如果軟件是開源免費(fèi)的并且安裝使用簡易則為低成本，軟件免費(fèi)但是安裝使用復(fù)雜或軟件付費(fèi)但是安裝使用簡單定為中，軟件購買昂貴并且安裝使用需要一定經(jīng)驗(yàn)定位為高。 2.5 網(wǎng)絡(luò)功能網(wǎng)絡(luò)功能是分布式多機(jī)器人系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，包括是否支持遠(yuǎn)程操作真實(shí)機(jī)器人，是否有完備的仿真機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)接口和大型復(fù)雜場景的多終端聯(lián)合調(diào)試仿真等。 3 仿真效果可以參考視頻錄像 "http://i.youku.com/u/UMTg1NDE4MDM2"

標(biāo)簽：濱州甘南湖南晉城南京孝感金昌酒水回訪

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