Design and Implementation of a Distributed FleetSimulator

Det finns en efterfrågan för flottor av autonoma fordon i många industrier såsom gruvdrift, byggplatseroch lager där arbete ska utföras av robotar. Tre viktiga problem som man måste taitu med för att på ett säkert sätt använda autonoma fordon är: koordination för att etablerasäker trafik i miljön där robotarna agerar, rörelseplanering för att bestämma en genomförbarväg för robotarna, och kontroll av robotar för att utföra rörelsen längs den planerade vägen.Forskningsprojekt inom detta område har bedrivits på Örebro universitet, som har publiceratett ramverk öppet för allmänheten som kan användas för att koordinera en flotta av riktigarobotar. Ramverket innehåller en simulator för att studera dessa tre problem, särskilt strategierför koordination. Simulatorn är implementerad som en monolitisk flertrådad applikation somkommunicerar via delat minne, där problem med prestanda uppstår när ett stort antal simuleraderobotar körs, därav tanken bakom detta examensarbete - att distribuera simulatorn för atttillåta simulationen att köras med hjälp av flera datorer istället för en enda. Detta innebären flytt från monolitisk till distribuerad arkitektur och utfördes med hjälp av en metod kalladstrangler fig approach. Denna rapport inkluderar designen och implementation av den resulteradedistribuerade simulatorn. Problemen relaterade till prestanda visades överkomliga med endistribuerad simulation genom att tillåta en större mängd robotar att simuleras. Framföralltframförs: domänen koordination av autonoma robotar som arbetet tar plats i, implikationer avdistribution av simulatorn, en jämförelse av den tidigare och nya simulatorn, och de möjlighetersom öppnats upp för att studera intressanta frågor särskilt inom området distribuerade system.iiiThere is a demand for fleets of autonomous vehicles in many industries such as mining, constructionand storage warehouses where tasks are performed by autonomous robots. Three importantproblems studied for deploying fleets of autonomous vehicles are coordination to ensure safetraffic in the environment, motion-planning to decide a feasible path for the robots and controlto manage the movement of robots. Research in this field is conducted at Örebro universitywhich has published a project for studying coordination strategies in a simulation of robots. Thesimulator is implemented as a monolithic multi-threaded application using shared-memory forcommunication. It faces scaling issues for a high amount of simulated robots. To overcome thislimitation the approach was to refactor the application as a distributed client-server system toallow for the same simulation to run using multiple computers as opposed to just a single computer.Therefore, migration from a monolithic to a distributed architecture using the stranglerfig approach was used to achieve goal of the project. The design and implementation of thisdistributed fleet simulator is presented in thesis - which explores in particular the domain ofcoordination of autonomous robots, the implications of distributing the application, and a comparisonof the previous and new simulator. The results showed that scalability of the distributedsimulation system increased (i.e., simulated robots threshold moved from decades to hundreds),that the refactored simulator considers important distributed systems properties and facilitatesfurther research especially in the area of distributed systems