Lehr- und Forschungseinheit für Datenbanksysteme Ludwig-Maximilians-Universität München
Institut für Informatik, LFE Datenbanksysteme
Prof. Dr. Hans-Peter Kriegel

Diplomarbeit

Echtzeit-Unterstützung haptischer Simulationen auf großen CAD-Datenbanken

Inhalt

Anwendungen mit simulierten Szenarien in der mobilen Robotik gewinnen immer mehr an Bedeutung. Die Einsatzgebiete sind sowohl in der Entwicklungsphase bzw. Testphase von neuen Robotersystemen und Steuerungsalgorithmen, als auch online zur Unterstuetzung von Navigation und Interaktion mit der Umgebung zu finden. Ein wichtiges Gebiet stellt die Kollisionsdetektion und die Simulation von Kontaktkräften zwischen einem mobilen Roboter und seiner Umgebung dar. Im Gegensatz zu einfacher Visualisierung erfordert dies eine sehr genaue Beschreibung der Objekte, die sich in unmittelbarer Nähe des Roboters befinden. Für die Berechnung der Kontaktkräfte wird ein Vefahren verwendet, das auf dem Voxelmap-Pointshell Algorithmus der Boeing-Company basiert. Die dafür nötige komplexe Beschreibung der virtuellen Welt (Voxel-Raster), in der sich der Roboter befindet, benötigt sehr viel Speicherplatz. Diese Daten werden deshalb in einer dafür geeigneten Datenbank auf dem Sekundaerspeicher abgelegt. Zur Laufzeit der Simulation werden die jeweils relevanten raumbeschreibenden Daten (näheres Umfeld des Roboters) aus der Datenbank in den Hauptspeicher geladen, um sie dort für den Kollisionsalgorithmus bereitzuhalten.
 

Problemstellung

Die Simulation wird in 'Echtzeit' (d.h. zeitlicher Ablauf der Bearbeitung ohne Verzoegerung) durchgefuehrt. Dazu ist eine hohe konstante Frame-Rate zu gewährleisten. Die unmittelbare Übertragung relevanter Geometrien von einer persistenten Datenbank in den Hauptspeicher kann die Bearbeitungszeit allerdings drastisch verzögern.
 

Lösungsansatz

Zur Überbrückung des Problems bzgl. der variablen Anfragezeit eines Ladevorgangs von Raum-Daten aus der Datenbank in den Hauptspeicher wird die Rauminformation, die zu einem Zeitpunkt im Hauptspeicher verfügbar sein muss, bereits vorher aus der Datenbank geladen ('Prefetching'). Der Ladeprozess läuft parallel zum Echtzeitprozess im Hintergrund ab, sodass der Ladevorgang den Echtzeitprozess nicht beeinflusst. Der Ladevorgang muss abgeschlossen sein, bevor der Echtzeit-Task auf den relevanten Bereich zugreift. Die Größe einer Einheit des 'Prefetch'-Vorgangs ist sowohl durch die begrenzte Ladezeit als auch durch die Kapazität des verfügbaren Hauptspeichers beschränkt. Die Bestimmung des im nächsten Schritt zu ladenden Bereichs spielt deshalb für die Dynamik des Systems eine grosse Rolle. Hierfür werden geeignete Trajektorien-Schätzer eingesetzt.

Im weiteren werden Untersuchungen zur Repräsentation der virtuellen Welt in der Datenbank erfolgen. In dieser Arbeit werden hierzu folgende zwei Modelle miteinander verglichen:
    - Modell mit Blöcken von 3D-Bauteilen (Bauteilmodell)
    - Modell mit fester Raumpartitionierung (Partitionsmodell)
Bei der Verwendung des Bauteilmodells werden in der Datenbank ausgedehnte Objekte verwaltet. Dagegen handelt es sich bei dem Partitionsmodell um Punkt-Objekte. In beiden Ansätzen sind geeignete Indexstrukturen für einen effizienten Zugriff zu verwenden.
 

Ziel

Mit dem Ergebnis dieser Arbeit soll zunaechst die Einsetzbarkeit von Datenbanksystemen mit räumlichen Daten in Echtzeit-Systemen überprüft werden. Weiterhin dient diese Arbeit als Grundlage für ein Werkzeug zur Organisation von sehr grossen räumlichen Daten, das für eine allgemeinere Klasse von Echtzeitprozessen verwendet werden kann.
 

Tools

Folgende Hilfsmittel werden in dieser Arbeit verwendet:

Personen

Bearbeiter Matthias Renz
Betreuer Dr. Marco Pötke (LMU), Dr. Thomas Seidl (LMU), Dr. Gerhard Grunwald (DLR), Dr. Max Fischer (DLR)
Projektpartner Deutsches Zentrum fuer Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut fuer Robotik und Mechatronik, Oberpfaffenhofen

Arbeitsplan

Arbeitsabschnitt Zeitbedarf
"Abschnitt 1" "x Tage"
"Abschnitt 2" ...

Ergebnis

"Kurzzusammenfassung"

Homepages: homeDBShomeInstituthomeLMU
04.05.2001 Matthias Renz