Разработка имитационно-обучающего тренажера по...

21
Разработка имитационно- обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС Министерство образования и науки Российской Федерации Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана Студент Научный руководитель Гуляев О.В. к.т.н., доцент Домрачева А.Б.

Upload: gaston

Post on 26-Jan-2016

68 views

Category:

Documents


8 download

DESCRIPTION

Министерство образования и науки Российской Федерации Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана. Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС. Студент Научный руководитель. Гуляев О.В. к.т.н., доцент Домрачева А.Б. - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Министерство образования и науки Российской ФедерацииМосковский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана

СтудентНаучный руководитель

Гуляев О.В.к.т.н., доцент

Домрачева А.Б.

Page 2: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Целью данной работы является разработка программного комплекса, моделирующего работу оператора робота Brokk для:•обучения персонала работе по демонтажу кладки реактора;•проверки выполнимости операций технологического процесса демонтажа кладки реактора;•разработки оптимального алгоритма демонтажа кладки реактора

Функциональные возможности тренажера:•Моделирование физики протекающих процессов, основанное на геометрии объектов, их массах, соединениях друг с другом

• Моделирование движения компонент робота Brokk и функционирования его насадок

• Моделирования взаимодействия насадок с окружающими объектами•Управление роботами Brokk, осуществляемое при помощи геймпадов и клавиатуры, соответствующее функционированию реального пульта управления Brokk.•Дополнительные функции, предоставляемые графическим интерфейсом – управления камерами, отображение пользовательского ввода, редактор блоков и т.д.

Page 3: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Обзор средств моделирования

OGRE Microsoft XNA Irrlicht OpenSceneGraph

Графические платформы Direct3D, OpenGL Direct3D Direct3D, OpenGL OpenGL

Операционные системы Windows, Linux, Mac OS X Windows Windows, Linux, Mac OS X

Windows, Linux, Mac OS X

Форматы графических моделей

.mesh, существуют инструменты для перевода из других форматов

.fbx, .dae, .3ds .obj, .3ds, .dae .obj, .3ds

Совместимые физические движки

PhysX, Newton Game Dynamics, Bullet, Open Dynamics Engine

PhysX, Newton Game Dynamics, Bullet, Open Dynamics Engine

Newton Game Dynamics, Havok

Bullet

Языки программирования

C++. Существуют порты для C#, Java, Python, Ruby

С#, Visual Basic .NET C++. Существуют порты для C#, Visual Basic .NET, Java, Python, Ruby

C++. Существуют порты для Java, Python, Lua

Таблица 1 - Сравнение возможностей графических движков

Таблица 2 - Сравнение возможностей интегрированных сред разработки

Unreal Development Kit Unity3D CryEngine

Операционные системы Windows, Mac OS X, iOS, Android Windows, Mac OS X, iOS, Android Windows, iOS, Android

Форматы графических моделей

.max, .fbx, .obj, .dae, .blend .fbx, .dae, .blend .cgf, .chr, .ginfo, есть порты для форматов .max, .fbx, .blend

Редактор сцены Присутствует Присутствует Присутствует

Физический движок PhysX PhysX CryEngine Physics

Языки программирования

C++, Java C++, JavaScript, Boo Lua

Page 4: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Unity3D

Unity3D – интегрированная среда для разработки игрового ПО, объединяющая в себе графический и физический движки.

Рисунок 1 – Графический интерфейс Unity3D

Page 5: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Робот Brokk

Рисунок 2 – Структура робота Brokk

Page 6: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Пульт робота Brokk

Рисунок 3 – Схема пульта робота Brokk

Page 7: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Конструкция шахты реактора

Рисунок 4 – Конструкция шахты реактора

Page 8: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Аварийные состояния графитовых блоков

Рисунок 5 – «Трещиноватость» блока (слева – до разрушения, справа – после разрушения)

Рисунок 6 – Слипание блоков

- «Трещиноватость» блока- Слипание блоков

Page 9: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Артефакты моделирования

Отсутствие рельефного текстурирования

Низкая полигональность моделей

Пружинность соединения твердых телвидео

Взаимное проникновение сталкивающихся друг с другом твердых телРаскачивание плит настила карусели при движении по нимвидео

Проблемы моделирования гусениц робота колесамивидео

Рисунок 7

Рисунок 8

Рисунок 9

Page 10: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Описание Проблема Пути устранения Примечание

Графические артефактыНизкая полигональность модели

В ряде случаев низкая точность 3D-модели

Триангуляция, сгущение полигональной сети

Снижается быстродействие

Отсутствие текстур Снижает качество восприятия За счет возможностей графического интерфейса

Отсутствие теней Снижает возможности управления

За счет возможностей графического интерфейса

Физические артефакты

«Пружинность» соединений твердых тел

При взаимодействии объектов заметны затухающие колебания

Установка параметров соединений и соединяемых твердых тел, минимизирующих эффект «пружинности»

Робот «подпрыгивает» при падении набок

Взаимное проникновение сталкивающихся друг с другом твердых тел

Скорость при отталкивании движущихся тел значительно увеличивается

Установка параметров твердых тел, минимизирующих проникновение друг в друга

Раскачивание плит настила при движении по ним

Раскачивание плит малой массы при движении по ним, невозможность захвата плит большой массы

Уменьшение массы плиты при захвате

Масса плиты после ее освобождения восстанавливается с временной задержкой

Проблема моделирования гусениц робота колесами

Визуализируется попадание фрагмента гусеницы в препятствие

Увеличение количества колес Колеса не визуализируются

Заваливание робота на неровной поверхности

Таблица 3 – Артефакты моделирования

Page 11: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Применение Mediator в слоевой архитектуре симулятора

cmp Class Model

Domain Feature

Mediator

Brokk

IBrokk

IBrokk

BrokkMediator

IBrokk

BlockGraphite

IBlockGraphite

IBlockGraphite

BlockGraphiteMediator

IBlockGraphite

Console

IConsole

IConsole

ConsoleMediator

IConsole

CameraPlacing

ICameraPlacing

ICameraPlacing

CameraPlacingMediator

ICameraPlacing

Application

ApplicationSettings

IApplicationSettings

IApplicationSettings

ApplicationSettingsMediator

IApplicationSettings

Рисунок 10 – Диаграмма компонентов паттерна Mediator

Page 12: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Применение Publisher, Subscriber и Singleton для реализации шины обмена событиями class Class Model

Ev entBus

- mInstance: EventBus- mPublishers: List<IEventPublisher>- mStartEvent: StartEvent- mSubscribers: List<IEventSubscriber>

+ AddPublisher(IEventPublisher) : void+ AddSubscriber(IEventSubscriber) : void- EventBus()+ GetInstance() : EventBus+ RemovePublisher(IEventPublisher) : void+ RemoveSubscriber(IEventSubscriber) : void+ Run() : void

«interface»IEventPublisher

+ GetEvents() : List<IEvent>

«interface»IEventSubscriber

+ OnEvent(IEvent) : void

class Class Model

«interface»IEvent

InputEvent

- mControls: List<BrokkControls>

+ GetControls() : List<BrokkControls>+ InputEvent(List<BrokkControls>)+ ToString() : string

StartEvent

+ StartEvent()

Рисунок 11 – Диаграмма классов шины событий

Рисунок 12 – Диаграмма классов событий

Page 13: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Применение State в диаграмме состояний пульта Brokk stm Диаграмма состояний пульта Brokk

Initial

Пульт включен

Управление манипулятором

Инструмент двойного действия

Инструмент одинарного действия

Инструмент одинарного действия,

режим Extra

Управление ходовой частью

Инструмент двойного действия, режим Extra

Управление ходовой частью и манипулятором

RL деактивирован RL активирован

Final

S5.ArmAndChassis

S4.Double

Extra on

[S4.Single, Extra off]

S5.Chassis

S5.Chassis

S5.ArmAndChassis

S4.Single

[S5.Chassis]

RL on

S5.Arm

[S5.ArmAndChassis]

[S5.Arm]Run engine

S5.Arm

Extra off

Panel off

Panel off

Panel off

[RL on][RL off]

[S4.Double, Extra on]

S4.Double

S4.Single Extra on

[S4.Single, Extra on]

RL off

Extra off

Panel off

[S4.Double, Extra off]

Рисунок 13 – Диаграмма состояний пульта управления роботом Brokk

Page 14: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Рисунок 14 – Окно симулятора

Page 15: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Рисунок 15 – Окно графического интерфейса

Page 16: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Описание программных решений

Рисунок 16 – Движение компонент робота Brokk Рисунок 17 – Моделирование работы захватов

Рисунок 18 – Структура коллайдеров динамических тел

Page 17: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Организационно-экономическая частьКалендарный план выполнения проекта описан диаграммой Ганта. Количество календарных дней, необходимых на выполнение проекта равно 44.

Был произведен расчет затрат на выполнение проекта. Суммарные затраты на реализацию проекта составляют 246 тыс. руб. Структура затрат на выполнение проекта приведена в виде таблицы и круговой диаграммы.

Рисунок 19 – Календарный план

Таблица 4 – Структура затрат

Рисунок 20 – Структура затрат

Page 18: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

- Проведен сравнительный анализ средств моделирования- Построены модели объектов, участвующих в демонтаже- Проанализированы артефакты моделирования- Предложены и реализованы компенсирующие программные

решения- Разработано двухоконное приложение для проведения

вычислительного эксперимента- Разработана сопровождающая программная документация- Проведено организационно-экономическое обоснование проекта

Программный комплекс ИОТ был использован для верификации технологии демонтажа блока Белоярской АЭС АМБ-100. В перспективе планируется применять его для оптимизации предлагаемых технологий демонтажа.

Материалы дипломного проекта обсуждались на смотрах дипломных проектов кафедры ИУ-9 и опубликованы в материалах конференции «Инновационные информационные технологии», проходившей в Праге с 23 по 27 апреля текущего года.

Результаты работы

Page 19: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Пружинность соединения твердых тел (назад)

Page 20: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Раскачивание плит настила (назад)

Page 21: Разработка имитационно-обучающего тренажера по демонтажу блоков АЭС

Проблема моделирования гусениц колесами (назад)