Využití virtuální reality při řízení servisních robotů pro bezpečnostní inženýrství

Abstract

Disertační práce se zabývá možnými způsoby využití virtuální reality v oblasti mobilní robotiky. Obsaženy jsou dvě hlavní skupiny nasazení – asistence operátorovi při řízení skutečného mobilního robotu a simulace modelu mobilního robotu v čistě virtuálním prostředí. V první části jsou navrženy metody využití rozšířené reality pro doplnění obrazu kamer mobilního robotu o některé grafické prvky pomáhající operátorovi v navigaci neznámým terénem. Konkrétně se jedná o 3D model mapy překážek získané laserovým skenerem a vizualizaci jízdní dráhy mobilního robotu. Cílem výsledného zobrazení je poskytnout operátorovi lepší přehled o vzdálenostech překážek a průjezdnosti úzkými prostory. Dále je navržen způsob zobrazení virtuálního modelu mobilního robotu s manipulační nadstavbou pro usnadnění manipulačních úkonů. Všechny popsané techniky jsou prakticky odzkoušeny na několika skutečných mobilních robotech. Druhá část se zabývá tvorbou komplexního simulačního systému pro ověřování vlastností virtuálních modelů kolových mobilních robotů. Nejdříve je vytvořeno obecně využitelné aplikační jádro umožňující vykreslení složitých 3D scén včetně simulace dynamiky tuhých těles v reálném čase. Vlastní simulační systém postavený na tomto jádru pak umožňuje flexibilní definici kinematické struktury a vzhledu mobilního robotu i virtuálního testovacího prostředí. Simulovány jsou jízdní vlastnosti robotu, kamerový subsystém včetně stereovize, senzorický subsystém a způsob ovládání. Důraz je kladen především na realistické vykreslení 3D grafiky pro poskytnutí věrného zážitku při řízení virtuálního mobilního robotu pouze pomocí kamer.

The thesis deals with possible applications of virtual reality in mobile robotics. Two main domains are mentioned – assistance to a human operator controlling a real mobile robot and simulation of a mobile robot in purely virtual environment. The first part proposes some methods of application of augmented reality to supplement a mobile robot camera picture with additional graphical elements in order to help the operator during navigation in unknown terrain. Specifically, it consists of a 3D model of map of obstacles created by a laser scanner and a visualization of driving path of the mobile robot. The purpose of the resulting display is to provide the operator with better overview of obstacle distances and passability of narrow areas. Afterwards, a way of displaying a virtual model of a mobile robot with manipulator arm is proposed, to ease manipulation tasks. All the described techniques are also practically tested on few existing mobile robots. The second part is concerned with the creation of a complex simulation system for verification of characteristics of virtual models of wheeled mobile robots. First, a universal application engine capable of complex 3D scenery rendering and real-time rigid body dynamics simulation is built. The actual simulator based on this engine allows flexible definition of kinematic structure and appearance of the mobile robot and virtual testing environment. Simulation covers driving abilities of the robot, camera subsystem including stereovision, sensory subsystem and controls. Stress is especially laid on realistic rendering of 3D graphics in order to offer the operator an accurate experience when controlling a virtual mobile robot using only feedback from cameras.