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機器人系統常用仿真軟件介紹和效果

1 主要介紹以下七種仿真平臺(側重移動機器人仿真而非機械臂等工業機器人仿真)： 1.1 USARSim-Unified System for AutomaTIon and Robot SimulaTIon USARSim是一個基于虛擬競技場引擎設計高保真多機器人環境仿真平臺。主要針對地面機器人，可以被用于研究和教學，除此之外，USARSim是RoboCup救援虛擬機器人競賽和虛擬制造自動化競賽的基礎平臺。使用開放動力學引擎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展性，與Player兼容，采用分層控制系統，開放接口結構模擬功能和工具框架模塊。機器人控制可以通過虛擬腳本編程或網絡連接使用UDP協議實現。被廣泛應用于機器人仿真、訓練軍隊新兵、消防及搜尋和營救任務的研究。機器人和環境可以通過第三方軟件進行生成。軟件遵循免費GPL條款，多平臺支持可以安裝并運行在Linux、Windows和MacOS操作系統上。 "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器人系統中人工智能、機器學習和更多通用的人工智能算法一些簡單的基本問題。它擁有可編程機器人控制器，可定制環境和自定義配置傳感器模塊等功能，采用3D虛擬傳感技術，支持單或多機器人仿真，提供神經網絡和進化算法等工具箱。軟件開發容易，開源，基于GNU協議，不支持物理計算，可以運行在任何支持包含Java3D庫的Java客戶端系統上。 "http://simbad.sourceforge.net/" 1.3 Webots Webots是一個具備建模、編程和仿真移動機器人開發平臺，主要用于地面機器人仿真。用戶可以在一個共享的環境中設計多種復雜的異構機器人，可以自定義環境大小，環境中所有物體的屬性包括形狀、顏色、文字、質量、功能等也都可由用戶來進行自由配置，它使用ODE檢測物體碰撞和模擬剛性結構的動力學特性，可以精確的模擬物體速度、慣性和摩擦力等物理屬性。每個機器人可以裝配大量可供選擇的仿真傳感器和驅動器，機器人的控制器可以通過內部集成化開發環境或者第三方開發環境進行編程，控制器程序可以用C，C++等編寫，機器人每個行為都可以在真實世界中測試。支持大量機器人模型如khepera、pioneer2、aibo等，也可以導入自己定義的機器人。全球有超過750個高校和研究中心使用該仿真軟件，但需要付費，支持各主流操作系統包括Linux, Windows和MacOS。 "http://www.cyberboTIcs.com/" 1.4 MRDS-Microsoft RoboTIcs Developer Studio MRDS是微軟開發的一款基于Windows環境、網絡化、基于服務框架結構的機器人控制仿真平臺，使用PhysX物理引擎，是目前保真度最高的仿真引擎之一，主要針對學術、愛好者和商業開發，支持大量的機器人軟硬件。MRDS是基于實時并發協調同步CCR(Concurrency and Coordination Runtime)和分布式軟件服務DSS(Decentralized Software Services)，進行異步并行任務管理并允許多種服務協調管理獲得復雜的行為，提供可視化編程語言(VPL)和可視化仿真環境(VSE)[28,29]。支持主流的商業機器人，主要編程語言為C#，非商業應用免費，但只支持在Windows操作系統下進行開發。 "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 (USC)開發的一套針對機器人和傳感器系統研究的免費平臺，包含網絡服務部分Player和機器人平臺仿真部分Stage與Gazebo。Player定義了機器人和傳感器與Stage和Gazebo通信接口，Stage是2D環境，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、碰撞檢測和執行器等虛擬機器人設備，支持進行多機器人仿真。它是目前在研究和教學方面最流行的開源機器人仿真軟件，開發的程序通過簡單的修改甚至無需修改即可應用于實體機器人的控制，因此可以大大降低研究成本、縮減研究周期。大量的主要智能機器人期刊和會議發表的文章都使用PSG作為真實和模擬的仿真實驗平臺。免費軟件，基于GNU協議，這款軟件是在Unix系統上開發，只支持Linux和Mac OS。 "http://playerstage.sourceforge.net/" "http://www.gazebosim.org/" 1.6 MissionLab MissionLab是佐治亞理工學院 (Gatech)開發的一組功能強大的平臺用于開發和測試單個或一組機器人行為。通過Missionlab生成的代碼可以直接控制主流商用機器人，包括ARTV-Jr、iRobot、AmigoBot、Pioneer AT和MRV-2等。Missionlab最主要的優點在于它支持仿真和真實機器人同時實驗。MissionLab是分布式體系結構，主要有六個核心組件：mlab、CfgEdit、cdl、cnl、HServer和CBRServer。使用CMDL和ODL作為開發配置語言。它起初是為DARPA開發用于研究在敵對環境多智能體機器人系統靈活反應控制，現已開源，僅支持Linux操作系統。 "http://www.cc.gatech.edu/aimosaic/robot-lab/research/MissionLab/" 1.7 MORSE-Modular OpenRobots Simulation Engine MORSE是一款通用的多機器人仿真平臺，主要特點是能控制實際仿真的自由度，可以自由設計符合自己需求的組件模型，運用Blender實時游戲引擎進行原始渲染，設計適合的體系結構，支持通用的網絡接口。它提供了大量可配置的傳感器和執行器模塊，高度的可擴展性，提供人與機器人的交互仿真，使用Python編程，有豐富的文檔并且易于安裝但無法進行精確的動力學仿真，時鐘同步能力性能較差，多機器人仿真時可能出現不同步情況。目前有5所學校和科研機構使用，開源軟件，僅限于Linux和MacOSX操作系統。 "https://www.openrobots.org/wiki/morse/" 1.8 其他常用機器人仿真軟件 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 評價指標為了從機器人研究者的角度去客觀地評價這些仿真軟件，需要制定統一的標準。本文的基于Alexander、Craighead、Michael等學者前期工作，確定了評估機器人仿真平臺的通常標準：逼真度、可擴展性、開發簡易性和成本，這四個標準可以用來判斷任何一款虛擬機器人仿真軟件，但對于多機器人系統而言，由于其分布式等特點，對網絡化的要求也越來越高，因此網絡功能也是一個不可缺少的重要指標。仿真軟件按照這些標準被分為高中低三個層次。 2.1 逼真度 2.1.1 物理逼真度物理逼真度是指物理環境的相貌、聲音和感受逼近真實操作環境的程度。當一個仿真軟件不能模擬操作環境的感受，它可以模擬環境視覺和聽覺部分。Alexander證明研究效果可以被更高逼真度的仿真軟件加強。以機器人操作為例，操作者一般是遠離操作環境的，一個高逼真度的視覺和聽覺仿真軟件與操作真實機器人相比相差不大。通過每個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。一個高物理逼真度的仿真軟件可以渲染高分辨率紋理、材質、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。機器人的運動特性必須被正確顯示。一個高物理逼真度的仿真軟件還包括機器人和環境感覺的高度融合。一個中物理逼真度的仿真軟件能夠通過3D渲染環境，對于物體細節則沒有要求。一個低物理逼真度的仿真軟件只能通過2D渲染環境并沒有聲音。 2.1.2 功能逼真度功能逼真度是指仿真中機器人行為逼近真實機器人執行任務操作環境和裝備反應的程度。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器人和驅動器的力學特性包括重力、牽引力、電機或與其他物體機器人等碰撞產生的加速度都能精確顯示，并能詳細測量和記錄狀態信息用于分析。中功能逼真度包括機器人整體的動力學仿真，但無法對單個關節進行仿真。低功能逼真度是指軟件不能仿真在機器人上的力學行為只能仿真速度和位置等運動學特性。 2.2 可擴展性可擴展性是指仿真軟件適應多種應用的能力。主要表現為仿真實驗算法開發實現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器人，定制傳感器和驅動器模塊種類的多少，能否提供模塊化的標準接口支持第三方軟件開發，仿真程序應用與真實機器人的可移植性的好壞。 2.3 開發簡易性開發簡易性是指使用仿真軟件開發適用機器人的難易程度。包括環境與機器人配置的復雜程度，軟件配置新裝備的復雜程度，支持編程語言的種類，軟件的開發文檔的豐富性，通信接口配置的通用性。 2.4 成本成本包括費用花費和時間花費。主要為初次安裝和開發過程中必須消耗的時間、軟件的價格等。如果軟件是開源免費的并且安裝使用簡易則為低成本，軟件免費但是安裝使用復雜或軟件付費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驗定位為高。 2.5 網絡功能網絡功能是分布式多機器人系統的一個重要組成部分，包括是否支持遠程操作真實機器人，是否有完備的仿真機器人的網絡接口和大型復雜場景的多終端聯合調試仿真等。 3 仿真效果可以參考視頻錄像 "http://i.youku.com/u/UMTg1NDE4MDM2"

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機器人系統常用仿真軟件介紹和效果