隨著現(xiàn)實(shí)場景中部署的自主機(jī)器人越來越多，對高保真多機(jī)器人仿真環(huán)境的需求也在迅速增長。本文將回顧筆者過去在 Cogniteam 使用的仿真多機(jī)器人的方法、目前使用NVIDIA Isaac Sim所取得的進(jìn)步，以及 Nimbus 如何通過 Isaac Sim 加速多機(jī)器人仿真的開發(fā)和維護(hù)。

使用 Unreal Tournament

游戲引擎進(jìn)行多機(jī)器人仿真

大約 20 年前，我和 Cogniteam 的朋友們開始進(jìn)行機(jī)器人開發(fā)。大家想要構(gòu)建一個用于多機(jī)器人任務(wù)分配和團(tuán)隊工作的機(jī)器人框架。該系統(tǒng)最初被命名為 CogniTAO，后來又發(fā)布了簡化版本 ROS decision_making。

當(dāng)時，多機(jī)器人的用例還很少，而且也無法對這些機(jī)器人進(jìn)行 3D 仿真。所以我為 Unreal Tournament 2000-2004 游戲引擎寫了一個可以仿真四個機(jī)器人的 mod。我們這支由四名程序員組成的小團(tuán)隊花了大約 3 年時間，開發(fā)出一個可以順利運(yùn)行 15 分鐘的仿真環(huán)境。

圖 1. 四個機(jī)器人的仿真（左）

以及這些機(jī)器人的視頻（右）

該環(huán)境能夠在五臺先進(jìn)的臺式電腦上仿真四個帶有攝像頭、Hokuyo 激光雷達(dá)、測向儀和測繪功能的機(jī)器人，并且能夠遠(yuǎn)程接收每臺機(jī)器人的視頻資料。我們的一位工程師寫了一個 C++ 的 TCP 客戶端，可以直接從本地網(wǎng)絡(luò)傳輸游戲引擎的數(shù)據(jù)并全屏顯示。必須嚴(yán)格按照順序運(yùn)行代碼，這樣才能讓機(jī)器人按時抵達(dá)正確的位置。

使用 Gazebo 進(jìn)行多機(jī)器人仿真

到了 2013 年，在 Gazebo 成為實(shí)際中的機(jī)器人仿真平臺后，我們把工作轉(zhuǎn)移到了 Gazebo 上。三個程序員花了大約 2 年時間，在兩臺英特爾 Xeon 上仿真了 10 個機(jī)器人。他們使用了 ROS move_base 導(dǎo)航堆棧和 OpenCV Hough Circle Transform 進(jìn)行模板檢測，在 TensorFlow 出現(xiàn)之前，機(jī)器人團(tuán)隊都是用這個辦法來做演示的。我們當(dāng)時的同事花了 6 個月的時間構(gòu)建了 RQT 插件，來控制和顯示來自多個機(jī)器人的數(shù)據(jù)串流（圖 2）。

圖 2. 10 個帶有 RQT 插件的機(jī)器人

所拍攝的視頻影像和地圖視圖

這些機(jī)器人必須能夠相互通信，也必須能夠在無法通信的情況下運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，每個機(jī)器人都必須運(yùn)行自己的 ROS 主程序，并通過 ROS 多主程序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步。

使用 NVIDIA Isaac Sim 進(jìn)行多機(jī)器人仿真

幾個月前，我請 Cogniteam 算法團(tuán)隊的計算機(jī)科學(xué)學(xué)生 Saar Moseri 使用云機(jī)器人生態(tài) Nimbus 和 NVIDIA Isaac Sim 建立了一個多機(jī)器人仿真場景。我和內(nèi)部測試團(tuán)隊都希望使用 Nimbus 來控制機(jī)器人，并查看它們所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

Saar 花了大約兩周時間熟悉環(huán)境和配置系統(tǒng)。圖 3 所示的是這項工作的成果，運(yùn)行在 Cogniteam 實(shí)驗(yàn)室一臺裝有 NVIDIA GeForce RTX 3080 的標(biāo)準(zhǔn)（單體）臺式機(jī)上。

圖 3. NVIDIA Isaac Sim 多機(jī)器人默認(rèn)設(shè)置

Saar 依據(jù)了NVIDIA NGC 上的 Isaac Sim 文檔來安裝和設(shè)置環(huán)境。他使用 Nimbus 在仿真機(jī)上設(shè)置了代理并創(chuàng)建了一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過 ROS 接收來自仿真機(jī)的數(shù)據(jù)。

圖 4. Nimbus 機(jī)器人編輯器（左）

和 Nimbus 配置編輯器（右）

然后我們創(chuàng)建了圖 5 所示的節(jié)點(diǎn)配置。

圖 5. 帶有 move_base 導(dǎo)航的 Nimbus 簡單任務(wù)配置

這兩個已經(jīng)容器化的構(gòu)建模塊分別是一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和一個 move_base 導(dǎo)航的節(jié)點(diǎn)。該配置被部署到 Cogniteam 實(shí)驗(yàn)室仿真桌面上運(yùn)行的代理中。其他更復(fù)雜的配置連同來源，包括用于 GMapping、路徑追蹤等的節(jié)點(diǎn)，都可以在 Nimbus Hub（https://app.cognimbus.com/nimbushub）獲取。

我和團(tuán)隊都被這種方法的無限可能性震驚到了。在上述配置中，仿真感官數(shù)據(jù)從Isaac Sim通過 ROS 網(wǎng)關(guān)到達(dá)，ROS 網(wǎng)關(guān)同時支持 ROS 和 ROS 2。Nimbus 可實(shí)現(xiàn)查看和控制功能。

這個開箱即用的設(shè)置使我們的團(tuán)隊能夠執(zhí)行基本的仿真任務(wù)，并在實(shí)驗(yàn)室里仿真機(jī)器人車隊的控制。不僅如此，還可以完成許多其他功能，比如記錄機(jī)器人的仿真運(yùn)行情況和感官數(shù)據(jù)、通過遠(yuǎn)程 SSH 連接到仿真機(jī)器、對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行全局監(jiān)控，甚至向驗(yàn)證團(tuán)隊發(fā)送有關(guān)仿真進(jìn)展的電子郵件和短信通知。所有這些都可以在一個網(wǎng)絡(luò)瀏覽器上完成。

將 Isaac Sim 與 Nimbus 組合成統(tǒng)一的系統(tǒng)，其功能與現(xiàn)有的云仿真產(chǎn)品相似，但在本地機(jī)器上運(yùn)行且不會產(chǎn)生額外的云仿真計算成本。此外，它還開辟了一些新的先進(jìn)仿真流程，比如硬件在環(huán)仿真等。這在云中運(yùn)行仿真時是不可能做到的。圖 6 顯示了 Nimbus 中的控制、導(dǎo)航和繪圖情況。

圖 6. Nimbus 機(jī)器人 WebRTC 視頻監(jiān)控（左）

以及 Nimbus 地圖視圖和自主控制（右）

如要拷貝上述提到的設(shè)置，請參考 Isaac Simdocumentation(https://catalog.ngc.nvidia.com/orgs/nvidia/containers/isaac-sim)文檔。然后在 Nimbus 上創(chuàng)建一個免費(fèi)賬戶，登錄后按照說明即可創(chuàng)建一個機(jī)器人。

在將機(jī)器人代理安裝在 Isaac Sim 以 headless 模式運(yùn)行的桌面上后，您就能夠通過遠(yuǎn)程 SSH 配置仿真并在 Nimbus 網(wǎng)站上監(jiān)控仿真機(jī)。

視頻1. Nimbus 和 NVIDIA Isaac Sim 演示視頻

您可在 Nimbus hub 部署 Isaac Sim 配置。由于一切都已經(jīng)容器化（包括 Isaac Sim）并且可在瀏覽器上進(jìn)行控制，因此不需要安裝任何應(yīng)用。機(jī)器上的代理將設(shè)置好執(zhí)行所需的一切。

然后，您可以在該代理的監(jiān)控頁面上監(jiān)控任何與您的設(shè)置相關(guān)的數(shù)據(jù)。在代理設(shè)置中，您可以通過在 ROS 串流上添加條件來定義通知，比如：

“if GoalStatus == ABORTED”
sendsms/mailtosimulation@your-company.com

總結(jié)

仿真是成功部署自主機(jī)器人的關(guān)鍵。多次運(yùn)行同一場景對測試來說至關(guān)重要，但多機(jī)器人仿真則有所不同。開發(fā)一個高保真的多機(jī)器人仿真環(huán)境十分復(fù)雜且耗時，但正如本文所述，您可以使用 NVIDIA Isaac Sim 和 Nimbus 簡化這一過程。

如要進(jìn)一步了解 Isaac Sim，請訪問 NVIDIA DeveloperIsaac ROS Forum （https://forums.developer.nvidia.com/c/agx-autonomous-machines/isaac/67）。

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