PRÁCTICA 1. INTRODUCCIÓN AL SIMULADOR DE

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1 PRÁCTICA 1. INTRODUCCIÓN AL SIMULADOR DE ENTORNOS 0 Objetivos de la práctica Los objetivos de la práctica son: Entender cómo se usa el simulador a nivel de instalación, arranque, carga de entornos y simulación. Aprender a programar comportamientos de robots para ser simulados Entender completamente la cinemática diferencial 1 Primer contacto con el simulador En las siguientes subsecciones se pretende cubrir el primer objetivo de la práctica. Por ello, hasta que no se entienda perfectamente esta sección no se puede pasar a la siguiente. Adicionalmente a lo que se explica en esta sección en la web se encuentra una documentación más detallada sobre el simulador "Manual de usuario del simulador". 1.1 Instalación Para ello hay que bajarse de la página web el fichero simulador.zip y descomprimirlo en la unidad local de cada grupo, en un directorio llamado simulador (ejemplo: d:\robots\simulador\). 1.2 Arranque Una vez hecho instalado el simulador, para hacer una simulación es necesario seguir los siguientes pasos: Ejecutar el programa simulador.exe. Cargar el entorno entornofacil. Entornos->Cargar entornos. Cargar el robot móvil robot_ideal. Entornos->Añadir obstáculo móvil. Elegir robot_ideal y escribir dllsencilla.dll en el cuadro de texto dll asociada. Situar el robot en el entorno. Hacer doble clic sobre el robot y situarlo en las siguientes coordenadas: orientación = 180, posición X = 30, posición Y = 12. Comenzar la simulación. Simular->Empezar. Parar la simulación. Simular->Parar. Para que la simulación sea más rápida, cambiar el tiempo de muestreo a medio segundo. Simular->Intervalo simulación y escribir 500 en el cuadro de texto que aparece. Empezar la simulación. Simular->Empezar.

2 Parar la simulación. Simular->Parar. De esta manera se ha realizado una simulación usando el entorno entornofacil y el robot robot_ideal con el comportamiento definido en dllsencilla. El robot_ideal tiene los siguientes sensores, ver Figura 1, (como se verá más adelante el orden importa): 8 sensores de distancia, una brújula, un GPS (sistema de posicionamiento global) y dos encoder, uno en cada motor. Los sensores de ultrasonido se emplean para reconocer los obstáculos del entorno, el GPS con la brújula se usa para poder saber cuál es la posición y orientación del robot, y los encoders sirven para estimar la posición y orientación del robot usando odometría. Cada encoder indica en valor absoluto el desplazamiento que ha sufrido una rueda. Tiene dos actuadores que son el motor de corriente continua m1 y m2. Según el sistema de referencia que se muestra en la Figura 1, la situación del motor m1 se corresponde con una orientación de -90º, en cambio la orientación del motor m2 se corresponde con 90º. Esta descripción también se puede ver en el simulador en Configuración->Robots->Tipos de robots. Hacer doble clic sobre robot_ideal. cuánto mide el diametro del robot? Ultrasonido (u1) Ultrasonido 64º (u2) m2 m1 GPS Brújula (b) Ultrasonido (u3) Ultrasonido 13º (u4) Ultrasonido -13º (u5) Ultrasonido (u6) Ultrasonido -64º (u7) Ultrasonido (u8) Figura 1: descripción del robot_ideal Para analizar a simple vista qué mide cada sensor se puede hacer lo siguiente: Para que la simulación sea lenta, cambiar el tiempo de muestreo 2 segundos. Simular- >Intervalo simulación y escribir 2000 en el cuadro de texto que aparece. Empezar la simulación. Simular->Empezar. Hacer doble clic sobre el robot y analizar las medidas que aparecen en pantalla (a lo mejor es necesario hacer la ventana un poco más grande para que se vean todas las medidas). qué sistema de referencia usan las medidas?, qué significa cada medida?, etc. Parar la simulación. Simular->Parar. 1

3 2 Primer contacto con la DLL que define el comportamiento de un robot Una vez que se ha aprendido a hacer una simulación, el siguiente paso consiste en personalizar los comportamientos de los robots. Para ello hay que entender qué es una DLL (como lo es dllsencilla.dll), y cómo se programa la DLL que necesita el simulador para entender lo que hace un robot y así poder integrarlo en la simulación. 2.1 Introducción a las librerías dinámicas (DLL) Las librerías dinámicas son librerías en código máquina directamente interpretables por el sistema operativo igual que un ejecutable. La diferencia con un ejecutable es que una librería no se puede ejecutar por sí sola, sino que necesita de un programa ejecutable que la cargue. En esta práctica se van a utilizar librerías dinámicas para definir el comportamiento de robots en un simulador. De esta manera el alumno podrá comprobar las ventajas que tienen las librerías dinámicas: Permite añadir código a un programa ejecutable y por ello es independiente del compilador y del lenguaje de programación usado para generar el ejecutable o la librería dinámica. Permite la reutilización de código, al igual que cualquier otra librería, pero con la diferencia de que se puede reutilizar código generado con cualquier lenguaje de programación y compilador. Depurar una librería dinámica es más fácil que depurar toda una aplicación. Como siempre el principio de divide y vencerás prevalece. En cualquier caso cualquier librería dinámica es dependiente del sistema operativo, en Windows las librerías dinámicas tienen extensión DLL y en Linux tienen extensión O. La creación de una librería dinámica no es igual que la creación de un programa. La diferencia fundamental es que no hay un main, ya que no se puede ejecutar directamente y necesita una aplicaciónn que la cargue. La aplicación cargadora de la librería dinámica en esta práctica va a ser el simulador de robots Simulador.exe. Lo único que necesita saber una aplicación cuando usa una DLL es su interfaz; es decir, la declaración de las funciones que tiene que usar. 2.2 La librería dinámica que define el comportamiento de un robot Cuando un programa maneja una DLL, sabe el contenido de la misma. Esto viene definido por el interfaz que presenta la DLL con exterior. En concreto el interfaz que tiene la DLL, que define el comportamiento de un robot para el simulador, está formado por las funciones siguientes: void stdcall InicioSimulacion(float* pfmedidas, int imedidas) Esta función es invocada por el simulador en el momento que comienza la simulación. Es un buen lugar para poner el código encargado de abrir ficheros y de inicializar variables. El simulador da a la función el conjunto de medidas generadas por los sensores justo antes de 2

4 comenzar la simulación, en pfmedidas que es un puntero a un vector de imedidas elementos. Este vector contiene las medidas en el orden en el que se definieron los sensores del robot; como se comentó en las secciones anteriores el orden de definición de los sensores importa para saber en qué posición de este vector viene cada medida. Para el robot robot_ideal, estas medidas son: Medida de los sensores u8, u7, u6, u5, u4, u3, u2, u1. (pfmedidas[0] hasta pfmedidas[7]) ( Ojo al orden!). El valor de la medida es 1 si el obstáculo más cercano se encuentra fuera del rango de medida del sensor. Medidas exacta de la coordenada X (pfmedidas[8]) Medida exacta de la coordenada Y (pfmedidas[9]) Medida exacta de la orientación (pfmedidas[10]) Ojo en grados no en radianes!. Para convertir usar #define PI Medida exacta del desplazamiento de la rueda correspondiente al motor m1 y m2, pfmedidas[11] y pfmedidas[12] respectivamente ( Ojo el desplazamiento siempre es positivo aunque la rueda vaya para atrás!, usar el mando aplicado a un motor en el instante anterior para saber si el desplazamiento es positivo o negativo). void stdcall FinSimulacion(void) Esta función es invocada por el simulador en el momento que termina la simulación. Es un buen lugar para poner el código encargado de cerrar ficheros. void stdcall Inicializa(void) Esta función se llama cuando el robot se pone en el simulador Entornos->Añadir obstáculo móvil. Se suele usar para crear objetos y reservar memoria. void stdcall Finaliza(void) Esta función se llama cuando el robot se quita del simulador Entornos->Eliminar obstáculo móvil. Se suele usar para borrar objetos y liberar memoria. void stdcall CalculaMando(float* pfmedidas,int imedidas, float* pfmandos, int imandos) Esta función es llamada en cada ciclo de simulación. El simulador da a la función el conjunto de medidas generadas por los sensores y espera recibir la información de los mandos que debe aplicar a los servos de los motores en pfmandos, que es un puntero a un vector con imandos elementos que debe rellenar el comportamiento del robot para que se mueva. El motor m1 se comanda con pfmandos[1] y el motor m2 se comanda con pfmandos[0]. 3

5 Ya se ha usado la DLL dllsencilla en la sección anterior. El código de esta librería se encuentra en la web, fichero dllsencilla.zip en Proyecto DllSencilla. Descomprimir este archivo en el directorio local de cada grupo, por ejemplo d:\robots\. De esta manera se crea un directorio llamado Dllsencilla donde se guarda el proyecto. A continuación se va a hacer un ejercicio de depuración de la librería: Copiar los ficheros del simulador menos Simulador.exe y dllsencilla.dll al directorio donde está el proyecto. Esto es necesario porque cuando se depura el directorio de ejecución para el simulador es donde está el proyecto, lugar donde deben estar todos los ficheros para inicializarlo. Abrir el proyecto dllsencilla.vcproj recientemente descomprimido con el Microsoft Visual C++. Indicar al compilador qué aplicación carga la librería. Ir a Proyecto- >Propiedades, elegir Propiedades de configuración, categoría Depuración (en configuración: Active(Debug)) y rellenar el cuadro de texto que indica Comando navegando hasta d:\robots\simulador\simulador.exe usando el botón para este menester. Poner un breakpoint en la librería. Seleccionar el fichero donde está el código principal de la librería, en Explorador de soluciones->sourcefiles->dllsencilla.cpp. Situar un breakpoint en la función CalculaMando: Ponerse encima de la línea Navegador->Navega(pfMedidas, pfmandos) Pulsar botón derecho del ratón Seleccionar Punto de interrupción->insertar Punto de interrupción Poner un breakpoint en la función InicioSimulacion, Inicializa y Finaliza. Ejecutar el programa. Seleccionar Depurar->Iniciar Depuración o pulsar la tecla F5. Cargar el entorno entornofacil. Entornos->Cargar entornos. Cargar el robot móvil robot_ideal. Entornos->Añadir obstáculo móvil. Elegir robot_ideal y escribir d:\robots\dllsencilla\debug\dllsencilla.dll en el cuadro de texto dll asociada (alternativamente se puede utilizar una ruta local del estilo de..\dllsencilla\debug\dllsencilla.dll referida a la ruta del simulador). Ojo que la DLL que se va a usar no está en el directorio del propio simulador y por ello es necesario poner toda la ruta de directorios!. En este paso debería haber saltado el breakpoint de la función Inicializa. En el menú Debug o en la barra de herramientas Debug, se encuentran los típicos comandos para depurar. En este caso se va a pulsar F5 para que continue la ejecución, ver Figura 2. Situar el robot en el entorno. Hacer doble clic sobre el robot y situarlo en los siguientes coordenadas: orientación = 180, posición X = 30, posición Y = 12. Comenzar la simulación. Simular->Empezar. En este paso debería haber saltado el breakpoint de la función InicioSimulación. Pulsar F5 para que continue la ejecución. 4

6 A los dos segundos debe saltar el breakpoint de la función CalculaMando. Experimentar con las herramientas de debug, para depurar por dentro de la función Navega. Cuando se quiera parar de depurar, quitar el breakpoint, pulsar F5 para continuar la ejecución, ir al simulador y parar la simulación, quitar el robot del entorno (ojo esto hará saltar el breakpoint de la función Finaliza, pulsar F5 para continuar) y finalmente salir del mismo. Existe un método más radical que es Depurar->Finalizar todo, pero tiene el problema de que el comportamiento no termina de forma normal, ya que no se ejecuta ni la función FinSimulación ni Finaliza. Figura 2: Ventanas de depuración 3 Cinemática diferencial Partiendo del proyecto de la sección anterior; es decir, aprovechando el algoritmo de navegación, hacer un programa que estime la pose del robot (X, Y, orientación respecto del sistema de referencia global situado en la esquina superior izquierda de la pantalla) usando las medidas de los encoders situados en las ruedas del robot. Tanto la estimación anterior de la pose, como la pose real del robot medida por el GPS y la brújula ideal, se deben guardar en un fichero. Comprobar que la estimación coincide con los valores reales. 3.1 Pistas para terminar antes Tenga en cuenta que el ángulo que da el simulador va en grados y los senos y cosenos necesitan radianes. Tenga en cuenta que hablar de desplazamiento y de velocidad en el simulador es lo mismo, ya que los incrementos de tiempo son constantes. 5

7 Cuando un encoder mide 8. qué significa? pues depende, pueden ser 8 km, 8 cm, 8 km/h, 8 m/s, según se quiera. Lo que sí que es claro es que si se elige que 8 signifique 8 cm, entonces el robot medirá de ancho 40 cm. Tenga en cuenta que los encoders indican el desplazamiento de una rueda en valor absoluto. No se olvide de inicializar las variables. 3.2 Pistas para escribir en un fichero En C++ la información se envía a ficheros usando el operador <<. Ejemplo: #include <fstream> std::ofstream f("c:/nombre_fichero.txt,std::ios::app); if (!f.fail()) { // si se puede abrir f << " i: " << i << std::endl; f << " d: " << d << std::endl; f << "Adios" << std::endl; } 4 Sistematización!!! Cada vez que se quiera empezar un proyecto para generar un comportamiento del robot: Se partirá del proyecto DllSencilla que está en la web. Se copiará a un directorio dedicado al problema que se quiera resolver. Se copiarán los ficheros de configuración del simulador al directorio del proyecto. Es importante darse cuenta de que hay que tener todo perfectamente organizado, debe llevarse un control exhaustivo de versiones y se debe aplicar cualquier otro procedimiento que ayude a trabajar de forma eficiente y ordenada. Nada de desorden!, y estableced un método de trabajo, con procedimientos adecuados para trabajar en equipo! 5 Ejercicio opcional para aquellos que les sobre tiempo Hacer un algoritmo de navegación por el entorno que consista en que el robot no se choque. Si el comportamiento del robot no evita que el robot se choque, el robot se puede salir del 6

8 entorno ya que el simulador lo permite; es decir, si el comportamiento lo requiere el robot puede pasar por encima de una pared, ya que esto aumenta la flexibilidad del mismo. Evidentemente se deben borrar del proyecto Dllsencilla las líneas de código que tienen que ver con el procedimiento de navegación que viene en la misma. 7