Learning Robot Environment through Simulation

Traditionally simulators have been used extensively in robotics to develop robotic systems without the need to build expensive hardware. However, simulators can be also be used as a “memory”for a robot. This allows the robot to try out actions in simulation before executing them for real. The key obstacle to this approach is an uncertainty of knowledge about the environment. The goal of the Master’s Thesis work was to develop a method, which allows updating the simulation model based on actual measurements to achieve a success of the planned task. OpenRAVE was chosen as an experimental simulation environment on planning,trial and update stages. Steepest Descent algorithm in conjunction with Golden Section search procedure form the principle part of optimization process. During experiments, the properties of the proposed method, such as sensitivity to different parameters, including gradient and error function, were examined. The limitations of the approach were established, based on analyzing the regions of convergence.

Stochastic variability of output levels in a pulp mill

Quite often, in the construction of a pulp mill involves establishing the size of tanks which will accommodate the material from the various processes in which case estimating the right tank size a priori would be vital. Hence, simulation of the whole production process would be worthwhile. Therefore, there is need to develop mathematical models that would mimic the behavior of the output from the various production units of the pulp mill to work as simulators. Markov chain models, Autoregressive moving average (ARMA) model, Mean reversion models with ensemble interaction together with Markov regime switching models are proposed for that purpose.

Autourheilusimulaattoreiden fysiikkamallinnuksen erot tuotekehityssimulaattoreihin

Kandidaatintyössä käsitellään ajoneuvosimulaattoreita pelien ja tuotekehityksen maailmasta. Tarkoituksena on selvittää lähinnä kirjallisuuskatsauksena, minkälaisia fysiikkamalleja simulaatiopeleissä käytetään ja miten ne eroavat tuotekehityksessä käytettävistä ajoneuvosimulaatiomalleista. Pelisimulaattorin tärkein tavoite on realistinen tuntuma. Lisäksi etuja ovat pelaajaa koukuttava haaste ja viihde. Tuotekehityssimulaattorissa tärkein tavoite taas on hyödyntämiskelpoinen tulos. Näkyvin ero on visualisoinnissa, mutta mallinnettavat ilmiöt sekä tapa mallintaa niitä eroavat myös monilta osin.

Comparison between dSPACE and NI systems based on real-time intelligent control of a teleoperated hydraulic servo system

The Laboratory of Intelligent Machine researches and develops energy-efficient power transmissions and automation for mobile construction machines and industrial processes. The laboratory's particular areas of expertise include mechatronic machine design using virtual technologies and simulators and demanding industrial robotics. The laboratory has collaborated extensively with industrial actors and it has participated in significant international research projects, particularly in the field of robotics. For years, dSPACE tools were the lonely hardware which was used in the lab to develop different control algorithms in real-time. dSPACE's hardware systems are in widespread use in the automotive industry and are also employed in drives, aerospace, and industrial automation. But new competitors are developing new sophisticated systems and their features convinced the laboratory to test new products. One of these competitors is National Instrument (NI). In order to get to know the specifications and capabilities of NI tools, an agreement was made to test a NI evolutionary system. This system is used to control a 1-D hydraulic slider. The objective of this research project is to develop a control scheme for the teleoperation of a hydraulically driven manipulator, and to implement a control algorithm between human and machine interaction, and machine and task environment interaction both on NI and dSPACE systems simultaneously and to compare the results.

Höyryjärjestelmän pelisimulaattorikonsepti

Tässä diplomityössä on suunniteltu konsepti myöhemmin toteutettavaa pelisimulaat-toria varten. Pelisimulaattorista tulee osa öljynjalostamon tuotanto-operaattoreiden höyryjärjestelmän koulutusmoduulia. Työssä höyryjärjestelmän simulaattoriin on laadittu selkeä malli ja rakenne, joka arvioi käyttäjän suoritusta sekä antaa palautteen suorituksen onnistumisesta. Höyryjärjestelmän toiminnan ymmärtäminen on tärkeää, sillä sen avulla höyryntuotantoa voidaan optimoida. Kirjallisuusosassa on käsitelty koulutussimulaattoreita sekä niiden käyttökohteita. Lisäksi on esitetty höyryntuottajat sekä höyrynkuluttajat, jotka huomioitiin pelisimu-laattorikonseptissa. Jokaiselle yksikköprosessille on laadittu toimintakuvaus ja ope-rointiohjeet, joiden perusteella pelaaja saa käsityksen simulaattorin toimintaperiaat-teesta. Soveltavassa osassa on käsitelty kaikkien konseptissa mallinnettujen laitteiden aine- ja energiataseet sekä muut laskennassa tarvittavat teknilliset korrelaatiot. Soveltavas-sa osassa esitettiin myös pelisimulaattorin arviointiperusteet, arviointiin tarvittavien kustannusten korrelaatiot, häiriötilanne sekä esimerkkisimulointi ja suoritusesimerkki häiriön korjaamiseksi. Pelisuorituksen arvioinnin suunnitteluun kiinnitettiin huomiota, jolloin pelisimulaat-tori vastaa mahdollisimman hyvin todellista prosessia sekä säilyttää motivaation si-mulaattoriharjoitteluun.

Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.

CloudSimDisk: Energy-Aware Storage Simulation in CloudSim

Cloud Computing paradigm is continually evolving, and with it, the size and the complexity of its infrastructure. Assessing the performance of a Cloud environment is an essential but strenuous task. Modeling and simulation tools have proved their usefulness and powerfulness to deal with this issue. This master thesis work contributes to the development of the widely used cloud simulator CloudSim and proposes CloudSimDisk, a module for modeling and simulation of energy-aware storage in CloudSim. As a starting point, a review of Cloud simulators has been conducted and hard disk drive technology has been studied in detail. Furthermore, CloudSim has been identified as the most popular and sophisticated discrete event Cloud simulator. Thus, CloudSimDisk module has been developed as an extension of CloudSim v3.0.3. The source code has been published for the research community. The simulation results proved to be in accordance with the analytic models, and the scalability of the module has been presented for further development.

Simulateur compilé d’une description multi-langage des systèmes hétérogènes

La conception de systèmes hétérogènes exige deux étapes importantes, à savoir : la modélisation et la simulation. Habituellement, des simulateurs sont reliés et synchronisés en employant un bus de co-simulation. Les approches courantes ont beaucoup d’inconvénients : elles ne sont pas toujours adaptées aux environnements distribués, le temps d’exécution de simulation peut être très décevant, et chaque simulateur a son propre noyau de simulation. Nous proposons une nouvelle approche qui consiste au développement d’un simulateur compilé multi-langage où chaque modèle peut être décrit en employant différents langages de modélisation tel que SystemC, ESyS.Net ou autres. Chaque modèle contient généralement des modules et des moyens de communications entre eux. Les modules décrivent des fonctionnalités propres à un système souhaité. Leur description est réalisée en utilisant la programmation orientée objet et peut être décrite en utilisant une syntaxe que l’utilisateur aura choisie. Nous proposons ainsi une séparation entre le langage de modélisation et la simulation. Les modèles sont transformés en une même représentation interne qui pourrait être vue comme ensemble d’objets. Notre environnement compile les objets internes en produisant un code unifié au lieu d’utiliser plusieurs langages de modélisation qui ajoutent beaucoup de mécanismes de communications et des informations supplémentaires. Les optimisations peuvent inclure différents mécanismes tels que le regroupement des processus en un seul processus séquentiel tout en respectant la sémantique des modèles. Nous utiliserons deux niveaux d’abstraction soit le « register transfer level » (RTL) et le « transaction level modeling » (TLM). Le RTL permet une modélisation à bas niveau d’abstraction et la communication entre les modules se fait à l’aide de signaux et des signalisations. Le TLM est une modélisation d’une communication transactionnelle à un plus haut niveau d’abstraction. Notre objectif est de supporter ces deux types de simulation, mais en laissant à l’usager le choix du langage de modélisation. De même, nous proposons d’utiliser un seul noyau au lieu de plusieurs et d’enlever le bus de co-simulation pour accélérer le temps de simulation.

Conception et évaluation d’une intervention didactique à propos des phases de la Lune dans un planétarium numérique

Depuis l’entrée en vigueur du Programme de formation de l’école québécoise en 2001, l’astronomie est à nouveau enseignée dans les classes du Québec. Malheureusement, l’école est mal outillée pour enseigner des concepts astronomiques complexes se déroulant pour la plupart en dehors des heures de classe et sur de longues périodes de temps. Sans compter que bien des phénomènes astronomiques mettent en jeu des astres se déplaçant dans un espace tridimensionnel auquel nous n’avons pas accès depuis notre point de vue géocentrique. Les phases de la Lune, concept prescrit au premier cycle du secondaire, sont de ceux-là. Heureusement, l’école peut compter sur l’appui du planétarium, musée de sciences dédié à la présentation, en accéléré et à toute heure du jour, de simulations ultra réalistes de divers phénomènes astronomiques. Mais quel type de planétarium secondera l’école ? Récemment, les planétariums ont eux aussi subi leur propre révolution : ces institutions sont passées de l’analogique au numérique, remplaçant les projecteurs optomécaniques géocentriques par des projecteurs vidéo qui offrent la possibilité de se déplacer virtuellement dans une simulation de l’Univers tridimensionnel complètement immersive. Bien que la recherche en éducation dans les planétariums se soit peu penchée sur ce nouveau paradigme, certaines de ses conclusions basées sur l’étude des planétariums analogiques peuvent nous aider à concevoir une intervention didactique fructueuse dans ces nouveaux simulateurs numériques. Mais d’autres sources d’inspiration seront invoquées, au premier chef la didactique des sciences, qui conçoit l’apprentissage non plus comme la transmission de connaissances, mais plutôt comme la construction de savoirs par les apprenants eux-mêmes, avec et contre leurs conceptions premières. La conception d’environnements d’apprentissages constructivistes, dont le planétarium numérique est un digne représentant, et l’utilisation des simulations en astronomie, complèteront notre cadre théorique et mèneront à la conception d’une intervention didactique à propos des phases de la Lune dans un planétarium numérique s’adressant à des élèves âgés de 12 à 14 ans. Cette intervention didactique a été mise à l’essai une première fois dans le cadre d’une recherche de développement (ingénierie didactique) visant à l’améliorer, à la fois sur son versant théorique et sur son versant pratique, par le biais de multiples itérations dans le milieu « naturel » où elle se déploie, ici un planétarium numérique gonflable de six mètres de diamètre. Nous présentons les résultats de notre première itération, réalisée en compagnie de six jeunes de 12 à 14 ans (quatre garçons et deux filles) dont nous avons recueilli les conceptions à propos des phases de la Lune avant, pendant et après l’intervention par le biais d’entrevues de groupe, questionnaires, mises en situation et enregistrement des interventions tout au long de l’activité. L'évaluation a été essentiellement qualitative, basée sur les traces obtenues tout au long de la séance, en particulier sous la voûte du planétarium. Ce matériel a ensuite été analysé pour valider les concepts théoriques qui ont mené à la conception de l'intervention didactique, d'une part, mais aussi pour faire émerger des améliorations possibles visant à bonifier l'intervention. Nous avons ainsi constaté que l'intervention provoque effectivement l'évolution des conceptions de la majorité des participants à propos des phases de la Lune, mais nous avons également identifié des façons de rendre l’intervention encore plus efficace à l’avenir.

Essays on numerically efficient inference in nonlinear and non-Gaussian state space models, and commodity market analysis.

The first two articles build procedures to simulate vector of univariate states and estimate parameters in nonlinear and non Gaussian state space models. We propose state space speci fications that offer more flexibility in modeling dynamic relationship with latent variables. Our procedures are extension of the HESSIAN method of McCausland[2012]. Thus, they use approximation of the posterior density of the vector of states that allow to : simulate directly from the state vector posterior distribution, to simulate the states vector in one bloc and jointly with the vector of parameters, and to not allow data augmentation. These properties allow to build posterior simulators with very high relative numerical efficiency. Generic, they open a new path in nonlinear and non Gaussian state space analysis with limited contribution of the modeler. The third article is an essay in commodity market analysis. Private firms coexist with farmers' cooperatives in commodity markets in subsaharan african countries. The private firms have the biggest market share while some theoretical models predict they disappearance once confronted to farmers cooperatives. Elsewhere, some empirical studies and observations link cooperative incidence in a region with interpersonal trust, and thus to farmers trust toward cooperatives. We propose a model that sustain these empirical facts. A model where the cooperative reputation is a leading factor determining the market equilibrium of a price competition between a cooperative and a private firm

Multimodal image registration of the scoliotic torso for surgical planning

Background This paper presents a method that registers MRIs acquired in prone position, with surface topography (TP) and X-ray reconstructions acquired in standing position, in order to obtain a 3D representation of a human torso incorporating the external surface, bone structures, and soft tissues. Methods TP and X-ray data are registered using landmarks. Bone structures are used to register each MRI slice using an articulated model, and the soft tissue is confined to the volume delimited by the trunk and bone surfaces using a constrained thin-plate spline. Results The method is tested on 3 pre-surgical patients with scoliosis and shows a significant improvement, qualitatively and using the Dice similarity coefficient, in fitting the MRI into the standing patient model when compared to rigid and articulated model registration. The determinant of the Jacobian of the registration deformation shows higher variations in the deformation in areas closer to the surface of the torso. Conclusions The novel, resulting 3D full torso model can provide a more complete representation of patient geometry to be incorporated in surgical simulators under development that aim at predicting the effect of scoliosis surgery on the external appearance of the patient’s torso.

An Experimental Multimedia Process Control Room

The centralised control rooms of large industrial plants have separated people from the processes they should control. Perception is restricted mainly to the visual sense. Only telephone or radio links provide narrow-band voice communication with maintenance personnel down in the plant. Multimedia equipment can perceptionally bring back the operator into the plant while bodily keeping him the comfortable and safe control room. This involves video and audio transmission from process components as well as sights and sounds artificially generated from measurements. Groupware systems support inter-action between operators, engineers, and managers in different plants. With support from the German government, the state of Hessen, and industrial companies the Laboratory for Systems Engineering and Human-Machine Systems at the University of Kassel establishes an Experimental Multimedia Process Control Room. Core of this set-up are two high-performance graphics workstations linked to one of several process or vehicle simulators. Multimedia periphery includes video and teleconferencing equipment and a vibration and sound generation system.

Performance Evaluation of the Scheme 86 and HP Precision Architecture

The Scheme86 and the HP Precision Architectures represent different trends in computer processor design. The former uses wide micro-instructions, parallel hardware, and a low latency memory interface. The latter encourages pipelined implementation and visible interlocks. To compare the merits of these approaches, algorithms frequently encountered in numerical and symbolic computation were hand-coded for each architecture. Timings were done in simulators and the results were evaluated to determine the speed of each design. Based on these measurements, conclusions were drawn as to which aspects of each architecture are suitable for a high- performance computer.

Neptune: a hil simulator for multiple UUVs

This paper overviews the field of graphical simulators used for AUV development, presents the taxonomy of these applications and proposes a classification. It also presents Neptune, a multivehicle, real-time, graphical simulator based on OpenGL that allows hardware in the loop simulations

Impacto en el entrenamiento con simuladores de laparoscopia dentro del programa de Cirugía General-Universidad del Rosario

Introducción: La cirugía laparoscópica ocupa un lugar privilegiado dentro de la cirugía mínimamente invasiva, brindando al paciente y a las instituciones hospitalarias importantes beneficios comparados con la cirugía convencional. Los cirujanos en formación deben contar con un entrenamiento adecuado en cirugía laparoscópica basado en simuladores previo a la práctica con pacientes, disminuyendo la morbimortalidad derivada de la curva de aprendizaje. Este estudio busca describir e identificar los cambios en habilidades y tiempos quirúrgicos antes y después del entrenamiento con simulador de bajo costo y simulador virtual. Metodología: Se realizó un seudoexperimento (antes y después) con 20 residentes de los cuales 18 completaron el estudio, quienes recibieron un entrenamiento dirigido para la realización de procedimientos por vía laparoscópica en simuladores. El análisis estadístico se realiza mediante un análisis uni y bivariado, y se determina la significancia estadística con la medición de X2 y prueba exacta de Fisher así como la prueba T Student para muestras emparejadas y Wilcoxon para las variables numéricas. Resultados: El simulador de bajo costo muestra dependencia en la variable de manejo de tejidos en el ejercicio 3 y 10, con valores de p=0.035, y p=0.028 respectivamente. El 60% de los ejercicios muestra una diferencia estadísticamente significativa en el tiempo empleado en las pruebas. Para simulador virtual, todos los ejercicios mostraron diferencias significativas en al menos una de las variables evaluadas. Conclusiones: El entrenamiento, tanto con el simulador de bajo costo como con el simulador virtual, mejora las habilidades quirúrgicas necesarias para la realización de un procedimiento laparoscópico.