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Entorno Java para simulación y control de robots
móviles1
Miguel Ángel Lozano Ortega, Ignacio Iborra Baeza, Domingo Gallardo López
Grupo de Visión, Gráficos e Inteligencia Artificial
Departamento de Ciencia de la Computación e Inteligencia Artificial
Universidad de Alicante
Carretera San Vicente, s/n
03690 – San Vicente del Raspeig, Alicante
e-mail: [email protected]
Resumen: En este trabajo se describe un entorno Java de simulación y programación
de robots móviles basado en la arquitectura Saphira. El entorno permite la comunicación cliente-servidor de una aplicación cliente realizada en Java tanto con un servidor
Saphira (bien sea un simulador, o un robot real conectado por un puerto serie), como
con un simulador 3D propio realizado en Java. También se describe la forma de programar los robots mediante este entorno, así como un conjunto de librerías de apoyo
que se proporcionan junto con el entorno, y un ejemplo se programa realizado para
ejecutar sobre un robot.
Palabras clave: Robots autónomos, Programación de robots, Simulador de robots
1 Introducción
Para la investigación y el desarrollo de software para robots autónomos es muy importante contar con un entorno de simulación lo más real posible, así como con un software
de alto nivel que permita ocultar las problemáticas de bajo nivel de los dispositivos robóticos. Sin embargo, muchas veces es necesario también poder modificar características de bajo nivel para, por ejemplo, añadir nuevos dispositivos o modificarlos. Es por
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En la dirección http://www.dccia.ua.es/jmr se encuentra disponible el entorno descrito en este
trabajo, junto con documentación detallada.
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ello fundamental contar con un sistema de control y simulación abierto, portable, escalable y reusable.
JMR (Java Mobile Robots) es un entorno Java diseñado para cumplir estas características. Proporciona un completo software de simulación de robots basado en una arquitectura cliente-servidor, que permite estudiar el comportamiento de uno o varios robots sobre un mundo o entorno definido. El sistema dispone de una aplicación cliente,
sobre la que se cargan los robots que se desea probar, y de una aplicación servidor que
se encarga de llevar un control de los robots conectados, actualizar su situación en el
mundo que se haya especificado, y proporcionar al cliente los datos que se soliciten.
Se persiguen con este entorno dos objetivos fundamentales: uno es definir una interfaz de comunicación de Java con la librería Saphira de control de robots [6]. De este
modo, es posible conectar el sistema al simulador de robots de Saphira (Pioneer) y también a los robots reales que se gestionen con dicha librería. Conviene resaltar aquí la
modificabilidad y escalabilidad que permite Java [4], y que hace posible la adaptación
del programa a muchas otras librerías de control de robots. También sería muy sencillo
definir distintos interfaces Web para controlar el robot, facilitando la implementación de
este tipo de sistemas [8,9].
El otro objetivo que se persigue es proporcionar un sistema propio de simulación,
escalable y fácilmente portable, que permita sencillas modificaciones o actualizaciones
del mismo. La estructura de Java permite definir un esqueleto básico sobre el que ir
modificando o ampliando características de forma sencilla, añadiendo nuevas clases que
extiendan o sobreescriban a las anteriores. De esta forma, además de la comunicación
con Saphira, se dispone de un sistema auto-integrado, que permite la prueba de robots y
procesos sobre el mismo sin necesidad de ningún programa adicional, mediante un simulador 3D propio.
Para todo lo anterior, se ha desarrollado un programa cliente-servidor que permite la
gestión de robots, así como algunas librerías auxiliares, algunas de las cuales son utilizadas por dichos programas, y otras facilitan la elaboración de procesos en los robots
por parte del usuario.
2 Descripción del entorno
Como se ha comentado anteriormente, el entorno está basado en una arquitectura cliente-servidor, cuyo funcionamiento, a grandes rasgos, se pasa a explicar a continuación.
2.1 El cliente
En la parte cliente de la aplicación se tiene un programa para manejar los distintos
robots que queramos conectar. El programa está preparado para soportar varios robots
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simultáneamente (aunque si se está comunicando con Saphira, sólo se permitirá uno,
por las limitaciones de Saphira), y se conseguiría con ello el mismo efecto que lanzando
varias aplicaciones cliente, una por cada robot.
El cliente dispone de controles para elegir a qué servidor conectarse (actualmente, al
simulador Java, al simulador Saphira, o a un robot real a través de Saphira por un puerto
serie dado), indicando la dirección donde se encuentra el servidor. Esto permite comunicar con un servidor situado en una máquina remota, conociendo su dirección IP.
Además, se permite añadir y quitar robots del servidor, y llevar un control de los datos de cada robot (lecturas de sónares, estado actual, parámetros de configuración, imagen de la cámara, etc). En la figura 1 podemos ver el aspecto de la aplicación.
Figura 1. Aspecto de la aplicación cliente
2.2 El servidor
En la parte del servidor, se distingue entre el servidor Java y el servidor Saphira.
El servidor Java implementa un simulador que permite monitorizar la situación del
mundo, mediante distintas cámaras virtuales colocadas en él o la situación particular de
cada robot mediante su propia cámara virtual (ver figura 2).
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Figura 2. Cámaras virtuales del simulador, situadas en el mundo (derecha) y en el robot (izquierda).
Además, cuenta con métodos para obtener los datos de cada robot en cada instante:
detección de colisiones con obstáculos mediante cálculo de intersecciones, toma de lecturas de los sónares, captura de imágenes mediante un dispositivo de tipo cámara, y toma de otros datos de interés, como puedan ser estimaciones de posición mediante otro
tipo de dispositivos, filtrado o procesado de imágenes, etc.
Dentro del servidor Saphira se englobarían tanto la conexión con el simulador Pioneer como la conexión con un robot real a través de un puerto serie utilizando Saphira.
Este tipo de servidor no dispone de ninguna aplicación visual de monitorización, sino
simplemente de un programa que se deja ejecutando y permite la comunicación con Saphira. Para poder comunicar con las funciones de Saphira, se ha empleado JNI (Java
Native Interface), una herramienta de Java que permite ejecutar código escrito en otros
lenguajes de programación.
Se ha minimizado en la medida de lo posible la parte de tratamiento del robot que
hace Saphira, dejando únicamente el reflector de estado, del que tomar los datos del
robot, y utilizando algunas funciones para tomar datos y establecer velocidades. Lo que
se pretende es dejar que se gestionen todas las estructuras desde Java, y utilizar la API
de Saphira para obtener los datos y enviar los comandos básicos de movimiento (velocidad lineal y rotacional) al robot.
Para la comunicación de ambas aplicaciones (cliente y servidor), se ha empleado la
tecnología RMI (Remote Method Invocation), una tecnología Java que permite ejecutar
remotamente comandos de otra máquina, y permitir así la comunicación en sistemas
distribuidos.
Por una parte, se tendrá el servidor que se haya elegido (Java o Saphira), ejecutando
en una máquina. Dicho servidor estará escuchando por un puerto determinado, a la espera de solicitudes de conexión de distintos clientes.
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Por otra parte, se tendrá cada uno de los clientes que se quieran lanzar, que podrán
estar en la misma máquina que el servidor o en máquinas distintas. En el cliente, se indicará la dirección en la que se encuentra el servidor, y todos los robots que se generen
se conectarán con dicha dirección.
Se establecerá así una conexión por cada robot que se añada en la aplicación cliente,
que será gestionada de forma independiente. Una vez establecida la conexión, el cliente
podrá solicitar datos del robot al servidor ejecutando comandos remotos en el mismo
(toma de lecturas de sónares, toma del estado actual, establecimiento de la velocidad del
robot, etc).
3 Programación del robot
Existen múltiples propuestas de arquitecturas de control y programación de robots móviles [1,2,7,10]. En el diseño de JMR hemos seguido la propuesta de Saphira, enriqueciéndola con las posibilidades de manejo de concurrencia que proporciona Java.
En la librería robots se proporcionan distintos métodos de control del robot. Los
clientes podrán controlar el robot mediante el control directo, utilizando comandos de
bajo nivel, mediante conductas, mediante actividades, o mediante combinación de cualquiera de los métodos anteriores.
3.1 Procesos
Los procesos son fragmentos de código que pueden ser ejecutados en el entorno con el
fin de controlar el robot. Como características generales, es posible especificar su prioridad, su timeout, pudiendo ser iniciados concurrentemente con quien les llama o bloqueando al llamador. Pueden encontrarse en uno de los siguientes estados: inicial,
ejecutando, suspendido, detenido o finalizado. Se definen dos subclases de procesos:
actividades y conductas.
3.2 Conductas
Todas las conductas definidas se ejecutan concurrentemente de forma síncrona, accediendo a las variables que definen el estado del robot y modificando el comportamiento
del mismo según el estado leído.
Cuando tengamos varias conductas activas, cada una de ellas podrá estar fijando un
movimiento distinto para el robot. En este caso, el movimiento que se establecerá en el
robot se calculará combinando los resultados de todas las conductas. Para obtener este
movimiento, se facilita la creación de un sistema difuso, aunque se da libertad para utilizar cualquier otro método.
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3.3 Actividades
Las actividades son procesos concurrentes y asíncronos. A diferencia de las conductas,
no se activan todas de forma síncrona, sino que, de forma procedural, se pueden enviar
comandos de movimiento al robot, leer datos de su estado, o invocar otras actividades o
conductas.
3.4 Coordinación de conductas y actividades
Se dispone de un manejador de robots, que se encarga de invocar y coordinar actividades y conductas. La forma en la que se combinan los resultados de las distintas conductas puede ser modificada por el cliente, definiendo subclases de la clase principal que
especializan su comportamiento, creando así distintos manejadores de robots.
Este manejador de robots mantiene el estado del robot, de manera que cualquier proceso podrá obtenerlo de él sin tener que realizar una conexión con el robot.
3.5 Librería de robots
Esta librería incluye las interfaces que tendrán los robots, y los dispositivos asociados a
ellos, clases que encapsulan el estado y datos del robot, y clases para la creación de distintos procesos y manejador de robots. Además incluye clases de apoyo para visión.
3.6 Visión
Se tiene un módulo dedicado a tratar el problema del procesado de imágenes en el robot. Se definen en él estructuras de datos que permitan al servidor enviar al cliente información sobre la imagen que está viendo en cada momento el robot, y se han definido
las estructuras de determinados métodos que se emplearán para procesar y obtener imágenes.
Además, se ha definido un puente que comunica las imágenes que puedan captarse y
procesarse con la herramienta Javavis desarrollada también en el Departamento de
Ciencia de la Computación e Inteligencia Artificial de la Universidad de Alicante [3],
de modo que se pueden emplear los diversos filtros y funciones que se han desarrollado
para dicha librería, y aplicarlos para procesar imágenes en el servidor y enviarlas al
cliente.
3.7 Dispositivos
Puede ser útil (e incluso necesario) tener la posibilidad de definir dispositivos sobre el
robot, elementos que actúen en el servidor, procesando determinados datos, y proporcionando mecanismos para que el cliente pueda adquirir dichos datos procesados. Un
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ejemplo puede ser la cámara que pueda tener el robot. Conviene disponer de un mecanismo que permita definir la cámara, y poder visualizar así en el cliente las imágenes
que capture el robot.
Pero no sólo se trata de dispositivos físicos, como puedan ser una cámara, una pinza,
o cualquier otro elemento, sino también dispositivos lógicos, como fragmentos de código que preprocesen información en el servidor para ponerla a disposición del cliente
cuando lo requiera. Por ejemplo, aplicar un algoritmo para determinar en qué posición
puede estar el robot, o un procesado de imágenes que también permita especular sobre
dicha posición mediante razonamiento probabilístico.
4 Otras librerías desarrolladas
Se han implementado una serie de librerías que, bien serán utilizadas por las aplicaciones para algunas tareas auxiliares, bien permitirán al usuario definir procesos y programas Java de forma sencilla. A continuación se comentan brevemente.
4.1 Librería para desarrollo de entornos gráficos: robotGUI
La librería robotGUI se desarrolló para facilitar la elaboración de aplicaciones visuales
como el propio cliente. Dispone de una serie de controles específicos que puedan resultar interesantes para el control de robots (formados a base de controles Java Swing
agrupados), tales como paneles de imágenes, listas de parámetros, etc.
Se ha empleado esta misma librería para construir la propia aplicación cliente, de
forma que también puede servir de ejemplo de uso para construir otras aplicaciones similares.
4.2 Librería geométrica: javaGL
La librería javaGL contiene una serie de elementos geométricos que facilitan el tratamiento de objetos del mundo en que se mueve el robot, así como del propio robot. Dispone de objetos tales como líneas, segmentos, círculos, puntos, posiciones, que permiten definir, entre otras cosas, los límites de los muros del mundo, las dimensiones del
robot, la posición del mismo, etc.
Se emplea sobre todo en la parte del simulador Java para obtener aproximaciones 2D
del mundo 3D que se tiene representado, mantener listas de segmentos para obtener intersecciones (y ver con ellas si el robot ha colisionado, o determinar las lecturas de los
sónares, etc), definir posiciones, y otras funcionalidades.
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4.3 Librería de lógica difusa: fuzzy
La librería fuzzy contiene un conjunto de clases que permiten emplear lógica difusa en
el comportamiento del robot, así como en otras tareas que se quieran realizar. Dispone
de elementos para poder definir variables difusas, conjuntos difusos, elaborar reglas
difusas que obtengan una serie de consecuentes a partir de unas entradas determinadas
para sus antecedentes, etc.
4.4 Librería probabilística: prob
La librería prob se ha definido para mantener, además de una librería para control mediante lógica difusa (la librería fuzzy vista en el punto anterior), una librería que permite
control mediante razonamiento probabilístico, basada en la propuesta de Thrun [11].
Además, proporciona ayuda a la hora de realizar determinadas tareas, como generación
de datos aleatorios siguiendo una determinada distribución de probabilidades, etc.
Uno de los aspectos más interesantes de la librería es la implementación de una versión genérica del algoritmo CONDENSATION (CONditional DENSity propagATION)
[5], un algoritmo que permite realizar un seguimiento en el tiempo de una función de
densidad genérica, posiblemente multimodal, mediante la disposición de un conjunto de
muestras en el espacio objeto de estudio, y la evaluación de la probabilidad de cada
muestra. Con este algoritmo genérico, se podrán estimar distintas variables que describen el estado del robot, como por ejemplo localizar un robot en un pasillo, evaluar la
posición del robot en función de la imagen que capta, etc.
5 Programa de ejemplo
El siguiente código fuente presenta un ejemplo de una actividad, FollowRoute, en la
que se planifica un recorrido del robot. En ella se define un constructor, en el que se
inicializa el vector de puntos de control que determina el recorrido y se sobrescribe el
método execute() con el comportamiento de la actividad. En este comportamiento
se activa la conducta AvoidCollision y se va llamando a la conducta GoToPos
conforme vamos recorriendo el vector de puntos de control.
Tabla I. Ejemplo de un programa de control.
package user.processes;
public class FollowRoute extends Activity
{
Vector points;
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public FollowRoute(String pFile)
{
super("FollowRoute", -1, false, false);
setBlock(false);
points = new Vector();
points.addElement(new Point2D(1000.0, 1000.0));
points.addElement(new Point2D(2000.0, 1000.0));
points.addElement(new Point2D(3000.0, 4000.0));
}
public void execute() throws InterruptedException
{
Point2D p;
AvoidCollision ac = new AvoidCollision(200,800,200,800);
GoToPos go;
execute(ac);
for(int i=0;i<points.size();i++)
{
p = (Point2D)points.elementAt(i);
go = new GoToPos((int)p.getX(), (int)p.getY(), 100);
execute(go);
}
ac.setState(RobotProcess.iSTOPPED);
}
}
6 Conclusiones y trabajos futuros
Se ha presentando un entorno de simulación y control de robots móviles basado en la
arquitectura Saphira y desarrollado en Java. El entorno proporciona un sistema abierto
con el que poder definir aplicaciones cliente-servidor de control de robots. Tanto el servidor como el simulador pueden ser ampliados y modificados fácilmente atendiendo a
las necesidades del sistema robótico a implementar. Por ejemplo, si se incorpora un
nuevo dispositivo al robot, es muy sencillo añadir en el servidor el controlador Java para el nuevo dispositivo, así como definir la interfaz de acceso desde el cliente.
Se ha presentado también la arquitectura de clases que permite definir clientes que
manejan el robot utilizando procesos, conductas y actividades, así como un conjunto de
librerías de apoyo que se proporcionan junto con el entorno.
Como trabajo futuro estamos preparando la coordinación de JMR como un proyecto
de código abierto en el que, al estilo Linux, la comunidad robótica y de visión artificial
pueda incorporar al entorno nuevas funcionalidades.
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Miguel Ángel Lozano, Ignacio Iborra, Domingo Gallardo
Bibliografía
[1]
R. C. Arkin. Integrating behavioral, perceptual and world knowledge in reactive
navigation. Robotics and Autonomous Systems, Vol. 6. 1990.
[2]
M. Beetz. Structured reactive controllers-a computational model of everyday
activity. En Proc. of the Third International Conf. on Autonomous Agents, 1999.
[3]
M. Cazorla. Javavis – Librería de procesamiento de imágenes en Java.
http://www.dccia.ua.es/~miguel/JavaVis/start.htm
[4]
Bruce Eckel. Thinking In Java. Prentice Hall, 1998.
[5]
M. Isard y A. Blake. CONDENSATION -- conditional density propagation for
visual tracking. International Journal on Computer Vision, Vol. 29, No. 1, pp. 528. 1998
[6]
K. Konolige y K. Myers K. The Saphira Architecture for Autonomous Mobile
Robots. En D. Kortenkamp, P. Bonasso y R. Murphi (Eds.), Artificial Intelligence and Mobile Robots, pp. 211-242. AAAI Press/MIT Press. 1998.
[7]
D. McDermott. A reactive plan language. Research Report YALEU/DCS/RR864, Yale University, 1991.
[8]
D. Schulz, W. Burgard, A.B. Cremers, D. Fox, y S. Thrun. Web interfaces for
mobile robots in public places. IEEE Magazine on Robotics and Automation,
Vol. 7, No. 1, pp. 48-57, Marzo 2000.
[9]
R. Siegwart and K. Goldberg (eds). Robots on the Web. IEEE Magazine on Robotics and Automation (special issue), Vol. 7, No. 1, March 2000.
[10]
R. Simmons, J. Fernandez, R. Goodwin, S. Koenig, J. O'Sullivan. Xavier: An
Autonomous Mobile Robot on the Web. IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol. 7, No. 2, pp. 33-39, Junio 2000.
[11]
S. Thrun. A Framework for Programming Embedded Systems: Initial Design
And Results. Informe Técnico Carnegie Mellon University, Octubre 1998.
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