Webots

Autoren: Armel Talovic
Betreuer: Prof. Göbel
Art: Praxissemester
Projektlaufzeit: 02.11.2021-20.02.2022

Abb.1: Webots

Einleitung

Dieser Artikel dient zur Einarbeitung und Erklärung rund um das Programm Webots. Webots ist ein Simulationsprogramm, welches dem Benutzer ermöglicht eine virtuelle 3D-Welt zu erstellen. In Webots lassen sich sehr viele physikalische Eigenschaften , die es in der Realität gibt verwenden wie zum Beispiel Masse, Dämpfung und Dichte usw. In Webots kann man Wände beziehungsweise Hindernisse erstellen , diese werden als passive Objekte in der Software bezeichnet. Wiederum gibt es aktive Objekte wie den sogenannten mobilen Roboter , der unterschiedlichen Fortbewegungsmöglichkeiten besitzt.(Roboter mit Rädern , mit Beinen etc. ).Ebenfalls lassen sich die mobilen Roboter mit Sensoren und Aktoren ausstatten . Webots bietet sich besonders im Bereich der mobilen Robotik für Forschungs-und Bildungsprojekte optimal an . Einige Projekte setzen seit Jahren auf Webots z.B. im Bereich Prototyping von mobilen Robotern (Automobilindustrie , Luft- und Raumfahrt).

Übersicht

Dokumentation

• Modellsimulation in Webots und Simulationen mit ROS2

https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Modellsimulation_in_Webots_und_Simulationen_mit_ROS2

Software

• Webots - Open Source Robot Simulator

Weiterführende Links

Installation von Webots

Unter folgendem Link lässt sich das Programm downloaden :[1]

Nachdem man die Datei heruntergeladen hat , kann man sie an einem beliebigen Ort verlegen . Durch einen Doppelklick auf die Datei , lässt sich Webots schließlich installieren.

World

Eine World in Webots beinhaltet eine Beschreibung jedes Objekts : Aussehen , Position , Art des Objekts usw. Worlds sind gegliedert aufgebaut , das bedeutet das Objekte andere Objekte enthalten können z.B kann ein Roboter aus 4 Rädern , ein Bewegungssensor und ein Gelenk enthalten , das wiederum eine Kamera enthält

Controller

Ein Controller ist ein Programm , welches den Roboter steuert . Folgende Programmiersprachen können in Webots verwendet werden :

• C ,
• C++ ,
• Java ,
• Python oder
• MATLAB.

Die Quell- und Binärdateien eines jeden Controllers werden zusammen in einem Controller-Verzeichnis gespeichert. Das Controller-Verzeichnis findet man im Unterverzeichnis " Controllers " .

Supervisor Controller

Der Supervisor Controller kann in jeder der vorher erwähnten Programmiersprachen geschrieben werden . Im Unterschied zu einer normalen Robotersteuerung hat der Supervisor Controller die Möglichkeit auf besondere Operationen zurückzugreifen , die sonst nur von einem menschlichen Bediener und nicht von einem echten Roboter durchgeführt werden können. Dazu gehört z.B. die Steuerung der Simulation . In der kann man den Roboter in eine gewünschte Position bewegen oder eine Videoaufzeichnung des Prozesses machen .

Webots Hauptmenü

Abb.2: Webots Menü

Das Hauptmenü von Webots besteht aus vier Hauptfenstern :

1. Das 3D-Fenster , welches die Simulation anzeigt

2. Das Scene Tree , welches eine hierarchische Darstellung der aktuellen Welt ist

3. Der Texteditor , mit dem man den Quellcode bearbeiten kann

4. Die Konsole , die die Steuerungsausgabe anzeigt während der Simulation

Ebenfalls befinden sich im GUI neun Menüs : File , Edit , View , Simulation , Build , Overlays , Tools , Wizards und Help.

Menü 1: Mit dem File Menü lassen sich die üblichen Optionen durchführen : Laden , Speichern und eine neue Welt erstellen .

Abb.3: Webots Menü

Menü 2: Das Menü Edit bietet die Funktionen Kopieren , Ausschneiden , Einfügen usw. an

Menü 3: Durch das View Menü lassen sich unterschiedliche Perspektiven einstellen wie etwa die Vorderansicht des Objektes , Draufsicht etc.

Menü 4: Im Simulationsmenü lässt sich das Geschehen simulieren und bei Bedarf auch pausieren .

Menü 5: Im Menü Build lässt sich der Controller-Code zu erzeugen .

Menü 6: Im Menü Overlays gibt es eine Darstellung der Elemente Kamera , Display und Entfernungsmesser . In jeder dieser Elemente gibt es eine Liste , welche anzeigt welche Geräte aktiv sind und welche nicht .

Menü 7: Im Menü Tools lassen sich verschiede Webots-Fenster öffnen unter anderem eine Interaktion mit der 3D-Simulation . Ebenso lässt sich die virtuelle Welt im Scene Tree bearbeiten .

Menü 8: Der zuvor erwähnte Controller lässt sich schließlich im Wizards Menü erstellen .

Anleitung

Um sich in Webots zurecht zu finden helfen folgende Tutorials.[2]

Erste eigene Welt erstellen und einen Controller kreieren.

Ein neues Projekt erstellen

➜ Das Wizard Menü anklicken , New Project Directory auswählen und daraufhin alle verfügbaren Kästchen auswählen .

Die Maße der Arena ändern

➜ Mit einem Doppelklick auf die Node RectangleArena und in den Unterpunkten floorTileSize und wallHeight lassen sich die x , y , z Koordinaten ändern .(Siehe Abbildungen 4 und 5)

Abb.4:Maße ändern der Arena

Abb.5:Maße ändern der Arena

Koordinatensystem der Arena

Das Koordinatensystem in Webots ist fest und lässt sich nicht ändern . 
Dabei stellt der rote Pfeil die x-Achse dar und der grüne Pfeil die z-Achse .
Der blaue Pfeil gibt die y-Achse an .

Abb:6:Koordinatensystem

Beliebige Objekte in die Arena einfügen

➜ Den Add Button auswählen , daraufhin die Option PROTO nodes ( Webots Projects ) anklicken und zum Schluss die Auswahl Objects bedienen . (Siehe Abbildugen 7-10)

Abb.7:Objekte einfügen Schritt 1

Abb.8:Objekte einfügen Schritt 2

Abb.9:Objekte einfügen Schritt 3

Abb.10:Auswahl an verschieden Möglichkeiten an Objekten

Maße der Objekte ändern

Ebenfalls lassen sich zu jedem beliebigen hinzugefügten Objekt die jeweiligen Maße ändern . Nachdem man das Objekt hinzugefügt hat , tritt im Scene Tree eine neue Node auf . Mit einem Klick auf die neue Node , lassen sich dann die Maße ändern 

Abb.11: Maße der Objekte ändern

Controller kreieren

Um einen Controller in Webots kreieren zu können , muss man folgende Vorgehensweise vornehmen . Zunächst klickt man auf das Wizard Menü und wählt die Option New Robot Controller aus . Daraufhin gibt Webots eine Anzahl von verschieden Programmiersprachen an und man kann sich die gewünschte aussuchen . Infolgedessen lässt sich der Controller benennen . Damit man später den Alphabot mit dem Controller verbinden kann , muss man im Scene Tree auf die Alphabot Node klicken , dann die Option Controller auswählen , dann auf Select und folglich auf die Datei , die man vorher benannt hat . Damit der ganze Prozess abgeschlossen ist , muss man noch die World speichern .
Nachdem man all die Schritte durchgegangen ist , kann man nun im Texteditor den gewünschten Code aufschreiben . Dabei ist zu beachten , dass bevor die Simulation starten kann der Controller Code explizit gespeichert werden muss .

Folgendermaßen sollt die Vorgehensweise aussehen : ➜ (file / Save text file ) ➜ Build ➜ Reset 

Das Build Menü findet man unter Abbildung 11.
Sollten sich Fehler während der Simulation ergeben , werden sie rot in der Konsolenausgabe angezeigt . ( Siehe Abbildung 2)

Abb.11:Build Menü

Solid Node

Die Solid Node stellt einen starren Körper dar d.h. dass der Abstand von zwei beliebigen Punkten eines Körpers zeitlich konstant ist . Beispiele für solche Körper wären zu einem ein Tisch oder etwa ein Rad. Oft lassen sich die Verformungen durch äußere Kräfte vernachlässigen , dass sie meistens für Rechnungen nicht von Relevanz sind und daher wird diese Idealisierung auch in der Mechanik verwendet . Die Solid Node ist von besonderer Bedeutung , da die Physik-Engine von Webots nur für die Simulation für starre Körper ausgelegt ist. Damit also ein starrer Körper definiert werden kann , muss eine Solid Node erstellt werden . Wiederum gibt es innerhalb der Node sub-nodes , die die Charakteristiken des starren Körpers entsprechen . Folgendermaßen wird eine Solid Node erstellt :

➜ Den Add Button bedienen , die Option Bases Nodes öffnen und daraufhin die Solid Node auswählen 

Nun sollte im Scene Tree eine Node mit dem Namen Solid erscheinen . Ebenfalls war die Solid Node für unser Projekt wichtig , da sie Kollision feststellt und man dadurch verhindern kann , dass Objekte aufeinander prallen .

DEF-USE Mechanism

Mit dem DEF-USE Mechanism lässt sich die Duplizierung von identischen Nodes in world files vermeiden . Zudem kann man mehrere Objekte gleichzeitig ändern . Also lässt sich mit dem Mechanismus die Definition einer Node an einer Stelle verwenden und die Wiederverwendung dieser Node an einer anderen Stelle . Dabei muss man lediglich in der Spalte "DEF" einen beliebigen Namen wählen und daraufhin kann man die Node , durch das Add Symbol an anderen Stellen im Scene Tree einfügen . Möchte man beispielweise Hindernisse verwenden und vier Wände in der World einfügen , wäre es nur nötig eine Wand zu definieren und man könnte die restlichen drei mit dem DEF-USE Mechanism einfügen.

Abb.12:DEF-USE

Rendering

Ein nützliches Tool , welches einem die Arbeit erleichtert lässt sich im Rendering Tool finden .

➜ Unter View / optional Rendering 

Unter dieser Liste findet man eine Aufzählung vieler verschiedenen Features wie etwa die Darstellung des Koordinatensystems der Objekte , die Anzeige der Abstandssensoren oder die Kontaktpunkte zwischen den Objekten

Zusammenfassung

In diesem Unterartikel wird beschrieben , was ich im Praxissemester gelernt habe und welche Kompetenzen ich gewinnen und sogar weiterentwickeln konnte . Zu Beginn des Praktikums konnte ich das Vorwissen aus dem ersten Semester des CAD-Praktikums nutzen . Da ich bereits die Grundlagen des Solidworks Programm beherrscht habe , konnten wir den AlphaBot recht schnell modellieren . Nachdem wir den AlphaBot modelliert und bewegungsfähig gestaltet haben , war es unsere Aufgabe den Alphabot im Programm Webots zu simulieren . Durch die vielen Tutorials habe ich ein Verständnis davon bekommen , wie das Programm funktioniert und wie man es für andere Projekte in der Zukunft ,außerhalb des Themas AlphaBot ,nutzen könnte .

Weiterführende Links

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