Diferencia entre revisiones de «Grupo Simulador»

Revisión del 21:39 9 feb 2012

La simulación es la imitación de un entorno diferente. Permite saber cómo reaccionaría un objeto en un entorno particular, sin necesidad de probarlo en el entorno real.
A nosotros nos permitirá saber cómo reaccionaría el Butiá a nuestras instrucciones, cuando conectemos la computadora al robot real.
Elegimos, como proyecto final, la creación de un Simulador para el robot Butiá ya que, de quedar implementado, no sería necesario tener al Butiá enchufado para poder probar nuestro código en Tortugarte.

Integrantes

• Fiorella Farinasso
• Pablo Silveira
• Ricardo Rodríguez

Motivación

Trabajando con el robot fuimos identificando, a través de la experiencia personal, diferentes dificultades que se presentaban al querer probar nuestro código. Puntualmente:

• poca cantidad de plataformas construidas
• sensores en malas condiciones
• baterías descargadas
• cables desconectados
• dificultades para reparar las fallas

Sumado a todo esto está el tiempo que se pierde intentando solucionar esos problemas y la motivación de los estudiantes que puede ir disminuyendo, al no poder probar su programa tanto y tan rápido como quisieran. Por ejemplo, por cada liceo hay un sólo robot, entonces los alumnos deben esperar a tener el equipo presente para poder correr sus códigos. Además de que no pueden hacerlo en sus casas.

Basados en lo anterior, creemos muy necesaria la existencia de una aplicación que permita simular el comportamiento de los robots. Contar con dicha herramienta no sólo permitirá una previsualización del movimiento y las reacciones, sino que también posibilitará el testeo del código de una forma más simple que teniendo el robot enchufado.

Por lo tanto, el simulador no sólo es aplicable a los estudiantes de liceos sino que también lo podrá utilizar cualquier persona que desee una forma más sencilla de ejecutar lo que acaba de programar.

Desarrollo del proyecto

A partir de las etapas formales del desarrollo de una Simulación, podemos describir nuestro trabajo de la siguiente forma:

Objetivos

La especificación de objetivos se enmarca en la etapa de Definición del sistema. Que incluye, además, la decisión de realizar un sistema informático para simular el robot Butiá y la aceptación de las limitaciones del mismo.

• Objetivos generales:
  • En base a las funciones existentes, simular los resultados de su ejecución
  • Mostrar gráficamente las reacciones del robot simulado

• Objetivos específicos:
  • Definir el lenguaje y las herramientas gráficas a utilizar
  • Crear una nueva paleta para la actividad Tortugarte
  • Simular las funciones básicas
    • Adelante
    • Atrás
    • Derecha
    • Izquierda
    • Detener
  • Simular sensores
    • Escala de Grises
    • Distancia
    • Botón
  • Simular funciones avanzadas
    • Cambiar velocidad
    • Girar X grados
  • Facilitar la creación de ambientes
    • Utilizar pistas pre cargadas
    • Permitir el dibujado de pistas fácilmente
    • Permitir la creación de obstáculos

Limitaciones

No obstante nuestros objetivos, es necesario aceptar y aclarar que las reacciones del robot frente a su ambiente seguramente tendrán una diferencia con las del robot simulado. Por ejemplo, los valores devueltos por los sensores serán exactos, no se verán afectados por las condiciones del ambiente, así como la luz afecta al sensor de escala de grises. Por esto, antes de estar seguros que un algoritmo funciona será necesario probarlo con un Butiá real.

Investigación de herramientas

Los siguientes tres pasos teóricos son Formulación del modelo, definición de la Colección de datos necesaria e Implementación del modelo. En nuestro trabajo, los realizamos en conjunto. El primer problema fue decidir qué herramientas íbamos a usar para desarrollar la aplicación y qué componentes iba a tener el sistema. Más allá de las herramientas, decidimos que necesitaríamos dos componentes básicos: el motor que simule las reacciones del robot y del entorno, y la interfaz gráfica que muestre en pantalla los resultados.

Motor de simulación

Consiste en el conjunto de operaciones que se deben realizar para, a partir de una instrucción dada al robot, obtener como resultado cuál sería su reacción. Por ejemplo, si se recibe una orden para que el robot vaya hacia adelante, el motor de simulación devolverá todo el tiempo la posición que debe tener el Butiá a partir de la posición inicial. Además debe calcular cómo reaccionaría el ambiente a las acciones del robot y viceversa. Como ejemplo, si el robot llega a una pared no debe poder avanzar, o, si se choca con un obstáculo liviano, éste se debe mover cediendo a la fuerza del Butiá.

Herramientas investigadas

Para el motor, principalmente lo que se debe decidir es el Lenguaje de programación a utilizar. También el sistema operativo y la máquina que lo ejecutará. No dudamos mucho en este punto. El simulador en su conjunto debía poder ser utilizado en una XO, por lo tanto el sistema operativo debía ser Linux y el lenguaje Python, porque las XO ya traen un Compilador instalado.

Interfaz Gráfica

La interfaz o GUI por sus siglas en inglés (Graphic User Interface) ofrece una forma agradable de ver los datos devueltos por el motor. Existen diversas interfaces cuando hablamos de simulaciones, generalmente se componen de imágenes y símbolos que permiten identificar lo que está sucediendo en el ambiente simulado y relacionarlo con lo que pasaría en el ambiente real. Van desde gráficos y cifras mostradas en pantalla hasta imágenes en 2D y 3D.

Herramientas investigadas

Para su mejor comprensión, el simulador debía tener una interfaz gráfica que represente al robot y su entorno en 2D o 3D. Investigando un poco, dimos con 4 opciones:

• ODE (PyODE)

ODE es una librería (un conjunto de mini programas y mucho código que ya funciona) para generar ambientes simulados en 2D y 3D. Es una herramienta muy potente y que permite un control absoluto sobre todos los objetos que componen el ambiente. Permite detectar colisiones (choques), obtener distancias, y tiene toda la física ya simulada. Es decir, si, por ejemplo, un objeto con más masa empuja a otro, el segundo se moverá con determinada velocidad debido a las reglas físicas que allí se aplican. Lo mismo sucede con objetos que caen del cielo, etc.

ODE está realizado en un lenguaje de programación llamado "C++". Pero incluso existe una adaptación a Python con las mismas potencialidades.

Llegamos a hacer algunas pruebas. Específicamente, logramos instalarlo y hacer funcionar los ejemplos pre-programados en una máquina con Linux. Y también ejecutar un ejemplo propio de un ambiente en 2D.

Lo malo fue que, al tener tanta potencia, es difícil de aprender y utilizar en el poco tiempo del que disponíamos.

• OpenRave

Es una aplicación ampliamente utilizada para simular robots. Ideal! Si, pero la principal limitación es que ya dispone de un IDE (entorno de desarrollo) sobre el que se debe trabajar. El mismo puede ser instalado tanto en Linux como en Windows, esto puede ser visto como un punto fuerte. Pero el consumo de memoria es muy elevado como para ser instalado en una XO.

Como comentario, el IDE permite la visualiación de todo el entorno. El mismo puede ser diseñado con la misma herramienta, tanto el robot como los objetos que lo rodean. También existen ejemplos programados.

• TortugArte

TortugArte es una aplicación que permite programar a través de la unión de diferentes bloques, como si de un puzle se tratara. Cada uno de ellos cumple una función específica y juntos conforman el código del programa que se está creando. Puede ser visto como un IDE para niños.

Cuando surgió esta opción, inmediatamente se presentó como la más apta. Por qué no? Si las XO ya lo tienen instalado. O sea que sería cuestión de simplemente realizarle alguna ampliación o modificación para satisfacer nuestras necesidades.

La idea fue modificar la paleta existente que permite controlar al Butiá para que, si el mismo no se encuentra enchufado, las instrucciones se envíen al motor de simulación. Luego vimos la necesidad de agregar nuestra propia paleta con más opciones.

• Physics

Mientras estábamos empezando a plantearnos a TortugArte como la candidata al Nóbel de Simulación para XO, surgió otra idea... Y si usamos Physics para así tener el control sobre la física que tanto deseábamos?

Physics es un conjunto de librerías para aplicar leyes físicas a los objetos simulados, de la misma forma que se hace con ODE. Lo bueno es que Physics es mucho más básico y fácil de utilizar, además de que ya viene instalado en las XO.

La idea era programar con TortugArte, enviar las instrucciones al motor y luego mostrarlos en el ambiente creado con esta herramienta. Igual que con ODE, vimos que resultaría un poco inviable por los tiempos de aprendizaje.

Más adelante, durante el desarrollo del simulador, intentamos utilizar un plugin de Physics para TortugArte, pero nunca lo pudimos hacer funcionar.

En conclusión, el ganador indiscutible al Nóbel en simulación para XO es el viejo y conocido TortugArte. Que, además de todas sus bondades, nos permite enviar las instrucciones de una forma simple y ver los resultados del motor desde un solo lugar. Algo que no obtendríamos con ninguna de las otras herramientas utilizadas por sí solas.

Pruebas realizadas

Siguiendo las etapas teóricas, aún nos falta abarcar las 4 siguientes: Verificación, Validación del sistema, Experimentación e Interpretación. Las últimas dos las podremos llevar a cabo cuando el Simulador sea utilizado principalmente por los estudiantes y profesores, y cuando obtengamos sus opiniones al respecto.

Verificación

A medida que desarrollábamos una nueva funcionalidad, la misma era probada hasta comprobar que cumplía con nuestras exigencias. En esta etapa siempre surgió algún problema que nos permitió aprender más sobre TortugArte, sobre Python o sobre algún otro detalle que necesitábamos para continuar con el proyecto, y que también nos ayudó a crecer en nuestro conocimiento general.

Validación

Como parte del curso de Extensión Butiá tuvimos que hacer una presentación de nuestro proyecto. Luego de la cual los profesores nos plantearon sus dudas, comentarios e ideas. No obstante, también será necesaria la opinión de expertos en educación orientada a niños para saber si el uso del simulador es posible. Además, cuando el proyecto se encuentre en un punto más avanzado de su desarrollo, es decir cuando se ajusten detalles en las funcionalidades del sistema, podrá realizarse un estudio más profundo sobre las diferencias entre los resultados arrojados por el motor de simulación y la realidad. Sin embargo, esta primera validación nos dejó ya con una serie de puntos a mejorar. Que se encuentran más abajo.

Documentación

La etapa final es la realización de dos manuales: uno técnico y otro de usuario. El manual técnico deberá detallar las herramientas y técnicas utilizadas para la programación del sistema. El manual de usuario debe ser una guía de fácil comprensión para una persona que nunca usó el simulador.

Pre-Manual técnico

Sobre el plugin

Como ya fue mencionado, el Simulador es un plugin para TortugArte. Lo que hicimos fue modificar la paleta creada para controlar el robot Butiá de manera que, si no está enchufado, las órdenes de los bloques se envían al motor de simulación. Además creamos otra paleta para ubicar nuestras funciones particulares.

El motor

El motor se comporta como una máquina de estados. Por ejemplo, cuando se recibe la orden de ir hacia adelante, se cambia el valor de la variable que almacena el estado interno a ADELANTE. Debido a que el robot real realiza continuamente la última acción indicada, debimos buscar una forma de que el motor ejecutara todo el tiempo la acción correspondiente al estado actual, hasta que éste cambie. Para esto se decidió agregar un bloque llamado "Actualizar mundo".

El bloque Actualizar mundo

Este bloque invoca a una función del motor que calcula las reacciones del robot, como ubicación y ángulo de giro, dependiendo del estado actual. Entonces, cada vez que se recibe una orden, sólo se cambia el estado actual, y recién en la primer invocación a la función de "Actualizar mundo" se calculan las reacciones del robot y el entorno.

La nueva paleta

En la carpeta de plugins de TortugArte se encuentra otra con el código usado por el simulador. En el mismo se definen todas las funciones del motor y se crea una nueva paleta que contiene bloques para:

• Actualizar mundo
• Cargar pistas prediseñadas
• Cambiar la imagen de la tortuga por la de un Butiá
• Imitar el Delay de la paleta existente

Pre-Manual de usuario

Iniciar el simulador

Para poder utilizar el simulador sólo será necesario abrir TortugArte de la manera habitual, suponiendo que el mismo ya contiene nuestro plugin. Todas las funciones se cargarán sin que el usuario deba hacer alguna acción particular.

Programar un comportamiento

Para programar un comportamiento se deben usar los mismos bloques que para el robot Butiá. La diferencia reside en que, para que el movimiento del robot se vea más de una vez, es decir que resulte constante como con el real, es necesario encerrar todo el comportamiento en un bucle infinito (como ya se hace para el Butiá) y además agregar el bloque "Actualizar mundo" en primer o último lugar. También, si se desea reutilizar un código ya programado, se debe agregar este bloque, porque de lo contrario la tortuga en pantalla no se moverá con los cambios calculados por el motor.

La nueva paleta

En la nueva paleta aparecen algunas funciones útiles, incluyendo el bloque "Actualizar mundo".

• Cargando pistas

Hay cuatro bloques que cargan pistas prediseñadas, aunque también se pueden cargar las propias.

Para cargar una pista propia se debe utilizar el bloque "Cargar pista" y conectarle el que se llama "Pista". Haciendo click en el último aparece una ventana para elegir una imagen del Diario. Esta imagen se cargará como pista en el fondo de la pantalla.

• Cambiando la imagen de la tortuga

El bloque "Butia" cambia la imagen clásica de la tortuga por la del robot visto desde arriba.

Para ejecutarlo se lo debe arrastrar al área de trabajo y cliquearlo una sola vez.

• Dibujando obstáculos

Los bloques "Inicio obstáculo" y "Fin obstáculo" permiten dibujar un obstáculo. Es recomendable usar éstos al momento de trazar líneas que funcionarán como, por ejemplo, paredes, ya que los bloques cambian el color del lápiz a un color particular que el motor reconoce como obstáculo y no lo pasa por arriba como si fuera parte del piso.

Desarrollo del problema

Como ya fue planteado, la necesidad de un simulador para el Butiá es muy importante. Luego de investigar varias herramientas para desarrollarla, nos decidimos por hacerla integrada con Tortugarte.

La idea de este plugin para Tortugarte es que sin la necesidad de tener completo el Butiá (XO + plataforma) se pueda visualizar en pantalla lo que haría físicamente nuestro código. Para ello primero debemos dibujar el escenario utilizando los comandos básicos del programa y luego por medio de esta nueva paleta probarlo-.

En un principio evaluamos la posibilidad de usar las librerias ODE o con OpenRave pero éste ultimo ya tenía un IDE creado, por lo que no serviría si se quiere hacer uno diferente, que consuma menos recursos y que sea más amigable. Luego con ODE vimos que igualmente habrían dificultades, además sería mucho más facil bajar un plugin para un programa con el que ya están familiarizados que una nueva aplicación.

A partir de esta decisión tuvimos que familiarizarnos aún más con la Butiá API y con las funciones de TurtleGraphics que encontramos en la wiki de sugarlabs (link a las funciones)

• API: (Interfaz de programación de aplicaciones - Application Programming Interface, es un conjunto de funciones residentes en bibliotecas, generalmente dinámicas, que permiten que una aplicación corra bajo un determinado sistema operativo.Expone operaciones de alto nivel para obtener valores de sensores o ejecutar acciones de los actuadores)

Problemas que fuimos resolviendo y herramientas que utilizamos

• A la hora de simular las funciones básicas el primer problema que encontramos era que cuando avanzaba la tortuga no la mostraba en pantalla. Por lo que tuvimos que utilizar la función de "Actualizar mundo" y como ya estaba implementada en el plugin del Sumo butiá (sumtia) fue solo adaptarla. Este bloque muestra al robot en su nueva posición luego de haberse ejecutado la última orden.

Para simular el sensor de escala de grises tuvimos que reutilizar el código de la función "get_pixel" (se encuentra en el archivo tacanvas.py), que devuelve el valor del color sobre el cual se encuentra la tortuga. Acá nos encontramos con que el valor era tomado del centro de la tortuga, por lo que si emulamos el comportamiento que tendría en el caso de querer seguir una línea, quedaría girando al llegar al vértice. De aquí tuvimos que ver como calcular la posición de la cabeza para poder ubicar al emulador del sensor en esta extremidad (al igual que lo haríamos en el Butiá - se suelen ubicar los sensores de Gris en la parte delantera del mismo). Acá hay una primer prueba de la simulación del seguidor de líneas.

secuencia de código

• Quisimos agregar un bloque que transforme la imagen de la tortuga, por defecto en Tortugarte, en una del robot Butiá. Cuando logramos hacerlo, vimos que la tortuga (ahora con la apariencia del Butiá), giraba sólo de a 90 grados. Para solucionar el problema tuvimos que comunicarnos con Walter Bender.

Igualmente este nuevo render hace que el código se ejecute más lento, aquí vimos que estabamos trabajando sobre una version antigual del tortugarte.. Por lo que tuvimos que familiarizarnos con el Git de Butiá y el Git de Tortugarte. Acá nos encontramos con varios cambios en cuanto al dibujado debido a la implementación de Cairo (Librería 2D)

• El mayor problema que encontramos fue el de simular el bloque Delay, de la paleta Butiá. El robot real, cuando se ejecuta este bloque, se queda ejecutando la última orden recibida. En nuestro caso, necesitábamos invocar a la función "Actualizar mundo" todas las veces que fueran necesarias hasta que se cumpliera el tiempo recibido como parámetro del Delay. El tema fue que Tortugarte oculta la tortuga mientras se va ejecutando el código de un bloque. Finalmente, el Martes 13 de diciembre a las 23:57 conseguimos hacerlo funcionar, imitando el código del bloque "wait".

Conclusiones

• Es importante para un próximo proyecto o mientras sigamos mejorando este, trabajar sobre la última versión del programa.. de otra forma podríamos estar implementando cosas en base a funciones que quizás ya no existan o que funcionen de otra manera teniendo así que perder tiempo en pensar nuevamente el algoritmo. (Tuvimos que re pensar la manera de obtener un pixel teniendo así que cambiar el algoritmo de distancia y de escala de grises).

Trabajo a futuro

• Agregar funciones a simular
• Acortar tiempos de renderización
• Ajustar algoritmos para mejorar tiempos