Mobile Robot Simulator

Mobile Robot Simulator es una aplicación servidor que simula la navegación de un robot móvil en un entorno configurable. El controlador del robot móvil es una aplicación cliente que se conecta con el servidor a través de sockets para enviar órdenes de movimiento y recibir información del sistema sensorial.

El controlador se ayuda de un componente para la comunicación con el servidor. De esta forma, se libera al programador de las tareas relacionadas con el establecimiento de la conexión y con la codificación de los mensajes, encargándose únicamente de la lógica para el control del robot móvil.

En la versión actual de Mobile Robot Simulator el robot que se toma como base para establecer el modelo es un Nomad-200 ligeramente modificado y simplificado para una mayor eficiencia del simulador.

El radio del robot es de 10 pulgadas y es aproximadamente igual al radio del robot real considerando el bumper (anillos situados en la parte inferior donde están colocados los sensores de contacto). Este parámetro junto con la medida mínima de los sensores deberá ser contemplado a la hora de definir nuevos entornos por los que el robot pueda acceder sin problemas de colisión. La altura del robot no se tiene en cuenta ya que se trata de una simulación en dos dimensiones.

El movimiento del robot se realiza mediante comandos de movimiento en el que se especifican las velocidades de avance y de giro del robot.

La velocidad de avance se interpreta en pulgadas por segundo que según la definición de los entornos se corresponde con pixels por segundo. Una velocidad con signo positivo hace que el robot avance y una con signo negativo hace que el robot retroceda.

La velocidad de giro se interpreta en grados por segundo. Una velocidad con signo positivo hace que el robot gire a la derecha y una con signo negativo hace que el robot gire a la izquierda. En el simulador no se limita la velocidad hasta 40 grados por segundo en cualquier sentido como ocurre en el robot real.

Se han definido dos tipos de sensores para recibir información del exterior: sensores de largo alcance y sensores de contacto.

Los sensores de largo alcance pueden corresponderse con los sensores de ultrasonidos del robot real. En este caso, el eco emitido por el sensor se modeliza como lineal con la dirección y sentido de la posición del sensor en el robot y no cónico como ocurre en la realidad.

Se disponen de 16 sensores de este tipo situados alrededor del robot sobre su superficie. El sensor 0 está situado en el sentido de avance del robot, el sensor 1 a 22'5 grados a la derecha del sentido de avance, el sensor 2 a 45 grados y así sucesivamente hasta el sensor 15 que está situado a 22'5 grados a la izquierda del sentido de avance.

La lectura mínima que devuelve cada sensor es de 5 pulgadas medida desde la superficie del robot (15 pulgadas desde el centro del robot). La lectura máxima es de 110 pulgadas (120 pulgadas desde el centro del robot).

Los sensores de contacto se modelizan como "abierto-cerrado". Estará en posición de "cerrado" cuando el sensor esté en contacto con algún objeto del entorno y en "abierto" en caso contrario.

Se han definido 20 sensores en torno al robot como ocurre en el robot real tomado como modelo. El sensor 0 está situado en el sentido de avance del robot, el sensor 1 a 13 grados a la derecha del sentido de avance, el sensor 2 a 26 grados y así sucesivamente hasta el sensor 19 que está situado a 13 grados a la izquierda del sentido de avance.

Las operaciones sobre el servidor Mobile Robot Simulator se efectúan mediante un menú de aplicación o un menú contextual en la ventana principal, al que se accede pulsando el botón derecho del ratón, aunque algunas acciones se realizan directamente con el ratón.

• World
  Menú de entornos. Permite cargar el entorno en el que va a desenvolverse el robot y obtener cierta información de él.
• New: Libera el entorno o entornos (ver la opción Merge) que esté cargado en ese momento. Esta opción sólo está disponible cuando la simulación del robot se encuentra parada. También se accede mediante el botón .
• Open: Carga un entorno liberando, si es preciso, cualquier otro entorno que esté previamente cargado. Esta opción sólo está disponible cuando la simulación del robot se encuentra parada. También se accede mediante el botón .
• Merge: Mezcla un entorno con el que esté cargado en ese momento. Sólo se pueden mezclar entornos vectoriales entre sí, sin límitación en número salvo por el número de objetos, y un solo entorno de mapa de bits. Esta opción sólo está disponible cuando la simulación del robot se encuentra parada y cuando ya se ha cargado un entorno.
• Information: Presenta una ventana de diálogo con información de la localización del entorno que esté cargado, el tipo y, en el caso de los entornos vectoriales, el número de objetos existentes.
• Exit: Sale de Mobile Robot Simulator liberando la conexión con el cliente.
• Robot
  Menú de simulación del robot. Permite activar y desactivar la simulación del robot, modificar la posición del robot y obtener información sobre la posición y sensores.
• Start: Activa la simulación del robot en espera de comandos de movimiento para que el robot se mueva. También se accede mediante el botón .
• Stop: Desactiva la simulación del robot. También se accede mediante el botón .
• Position: Muestra una ventana de diálogo que permite modificar la posición y orientación del robot en el entorno. Esto puede realizarse directamente con la pulsación del botón izquierdo del ratón en el lugar deseado. Si se mantiene pulsado el botón, los movimientos del ratón modifican la orientación del robot.
• Information: Abre una ventana que muestra información sobre la posición y orientación del robot, sobre las velocidades de avance y de giro y sobre las medidas de los sensores de larga distancia en este último caso tanto gráfica como numérica. En la ventana de información, el sensor de más a la derecha (a las tres en un reloj y que marca 65 en el ejemplo) se corresponde con el sensor frontal del robot. También se accede mediante el botón .

• Trace
  Menú de trazas. Permite modificar la forma en la que se visualizan y almacenan las trazas de las trayectorias que sigue el robot durante su movimiento
• Robot: Si se activa, deja el rastro de la trayectoria que el robot va siguiendo en cada momento. El resultado que se obtiene es una línea continua de color gris.
• Sonar: Si se activa, deja el rastro de las medidas lineales de los sensores de medida de larga distancia. El resultado que se obtiene es una conjunto de líneas, una línea por cada sensor, de color azul.
• Bumper: Si se activa, deja el rastro de los sensores de contacto. El resultado que se obtiene es un conjunto de puntos, un punto por cada sensor, de color verde.
• On file: Si se activa, solicita un nombre de fichero mediante una ventana de diálogo en el que va almacenando la posición y orientación del robot, las medidas devueltas por todos los sensores de larga distancia y la posición de los sensores de contacto.
• Draw from file: Dibuja la traza dejada por el robot a partir de un fichero de traza generado con la opción anterior. Las trazas que se pintan en la ventana dependen de la activación de las tres primeras opciones de este menú.
• Clear: Borra todas las trazas dibujadas en la ventana.
• Help
  Menú de ayuda. En la versión actual tiene las siguientes opciones:
• About: Presenta una ventana de diálogo con la versión y los créditos de la aplicación.

Con la ayuda de un componente para la comunicación con el servidor Mobile Robot Simulator y un compilador que soporte ese tipo de componentes, pueden desarrollarse distintos tipos de controladores del robot móvil.

A modo de ejemplo, aquí presentamos un sencillo controlador manual que muestra los comandos básicos necesarios para taratr con el servidor, realizar movimientos en el robot y leer información de los sensores. El código completo de este controlador puede obtenerse en el apartado de Download.

Los botones de conexión y desconexión están asociados a dos llamadas del cliente: Connect y Disconnect, respectivamente. La primera requiere la dirección de la máquina en la que se está ejecutando el servidor (localhost en el ejemplo). ShowMessage muestra un mensaje en la línea de estado del servidor.

	ClientRobot->Connect("localhost");
	ClientRobot->Disconnect();
	ClientRobot->ShowMessage("Hello world!");

Los comandos de movimiento utilizan dos llamadas del cliente: SetVel, para fijar las velocidades de avance y giro del robot, y Stop, para detener su movimiento. Éstos son algunos ejemplos de llamadas posibles. La primera hace que el robot avance a 10 pulgadas por segundo, la segunda que avance a esa misma velocidad y que gire a la izquierda a 30 grados por segundo, la tercera que gire a la derecha y la cuarta que se detenga.

	ClientRobot->SetVel(10, 0);
	ClientRobot->SetVel(10, -30);
	ClientRobot->SetVel(10, +30);
	ClientRobot->Stop();

Hay cuatro posibles llamadas para leer la información sensorial. La primera GetSonar requiere que se le pase como parámetro el sensor del que se quiere conocer su medida. GetBumper indica si el robot está chocándose con algún objeto. GetBumperReal devuelve el sensor de contacto sobre el que se está produciendo la colisión. GetPos devuelve tres parámetros: la posición en x, la posición en y y la orientación del robot en el entorno.

	s = GetSonar(0);
	if (ClientRobot->GetBumper())
		b = ClientRobot->GetBumperRel();
	ClientRobot->GetPos(x, y, a);

Mobile Robot Simulator soporta dos tipos de ficheros para representar entornos: los vectoriales y los de mapa de bits. En los dos tipos de entornos, el espacio libre por el que puede moverse el robot se representa en blanco mientras que los obstáculos se representan en color negro.

Tanto en uno como en otro caso deben determinarse los límites del entorno mediante obstáculos ya que si no el robot podría salir de la ventana del servidor.

En los entornos vectoriales los objetos existentes en el entorno se indican mediante un fichero de texto en el que su primera línea indica las dimensiones del entorno y las restantes las coordenadas de los rectángulos utilizados para representar los objetos en el orden x1 (coordenada izquierda), y1 (coordenada superior), x2 (coordenada derecha) y y2 (coordenada inferior).

La ventaja de estos entornos es que pueden utilizarse en combinación de la opción Merge para mezclar varios entornos y así modificar parcialmente el entorno que se está utilizando.

El entorno que se muestra a continuación, tiene unas dimensiones de 300x300 pixels (cada pixel se corresponde con una pulgada). El primer objeto (el que delimita el entorno por la parte de arriba) se representa mediante un rectángulo desde la posición (0, 0) hasta la (300, 1). El resto de objetos siguen la misma norma.

Ejemplo de entorno 300 300 0 0 300 1 0 298 300 300 0 0 1 300 298 0 300 300 50 98 250 103 0 200 100 205 200 200 300 205 100 0 105 53 100 155 105 250 200 155 205 250

Los entornos de mapa de bits se almacenan en ficheros BMP que pueden realizarse con la ayuda de cualquier editor gráfico compatible con este formato. La ventaja de este tipo de entornos es que pueden definirse fácilmente objetos cuyos lados no sean rectos. En la siguiente figura se muestran ejemplos de esta característica.

Los objetos se representan en negro y cualquier otro color (se recomienda el blanco) se interpreta como espacio libre. Por lo tanto, pueden utilizarse otros colores para pintar objetos o poner leyendas en diferentes zonas.

Los mensajes intercambiados entre el servidor Mobile Robot Simulator y el programa cliente son cadenas de caracteres de diferente longitud y se dividen en tres tipos:

• mensajes de movimiento, para enviar órdenes de movimiento al robot móvil,
• mensajes de sensores, para recibir información sensorial, y
• mensajes de servidor, relacionados con otras opciones del servidor.

Mobile Robot Simulator es completamente freeware aunque los usuarios que lo crean interesante y útil pueden enviar un e-mail a la dirección abajo indicada con comentarios, sugerencias y críticas. En breve se dispondrá de una versión bajo licencia GPL.

La distribución en cualquier medio está permitida siempre y cuando se mantengan el formato de ficheros y los mensajes de copyright y se avise previamente al autor del motivo por el que se va a distribuir y formato en el que tendrá lugar la distribución.

El autor no se responsabiliza de los daños que pueda llegar a ocasionar en los sistemas informáticos en los que se ejecute. La aplicación que se distribuye en estas páginas ha sido probada en diferentes entornos y plataformas mostrando el funcionamiento esperado.

• Servidor Mobile Robot Simulator mrs40a.zip (205 Kbytes)
• Componente cliente para comunicación crobot10.zip (20 Kbytes)
• Controlador manual de ejemplo pilot.zip (135 Kbytes), pilot.src.zip (5 Kbytes)