Real-time fluid simulations under smoothed particle hydrodynamics for coupled kinematic modelling in robotic applications

Abstract

Although solids and fluids can be conceived as continuum media, applications of solid and fluid dynamics differ greatly from each other in their theoretical models and their physical behavior. That is why the computer simulators of each turn to be very disparate and case-oriented. The aim of this research work, captured in this thesis book, is to find a fluid dynamics model that can be implemented in near real-time with GPU processing and that can be adapted to typically large scales found in robotic devices in action with fluid media. More specifically, the objective is to develop these fast fluid simulations, comprising different solid body dynamics, to find a viable time kinematic solution for robotics. The tested cases are: i) the case of a fluid in a closed channel flowing across a cylinder, ii) the case of a fluid flowing across a controlled profile, and iii), the case of a free surface fluid control during pouring. The implementation of the former cases settles the formulations and constraints to the latter applications. The results will allow the reader not only to sustain the implemented models but also to break down the software implementation concepts for better comprehension. A fast GPU-based fluid dynamics simulation is detailed in the main implementation. The results show that it can be used in real-time to allow robotics to perform a blind pouring task with a conventional controller and no special sensing systems nor knowledge-driven prediction models would be necessary.

Aunque los sólidos y los fluidos pueden concebirse como medios continuos, las aplicaciones de la dinámica de sólidos y fluidos difieren mucho entre sí en sus modelos teóricos y su comportamiento físico. Es por eso que los simuladores por computadora de cada uno son muy dispares y están orientados al caso de su aplicación. El objetivo de este trabajo de investigación, capturado en este libro de tesis, es encontrar un modelo de dinámica de fluidos que se pueda implementar cercano al tiempo real con procesamiento GPU y que se pueda adaptar a escalas típicamente grandes que se encuentran en dispositivos robóticos en acción con medios fluidos. Específicamente, el propósito es desarrollar estas simulaciones de fluidos rápidos, que comprenden diferentes dinámicas de cuerpos sólidos, para encontrar una solución cinemática viable para robótica. Los casos probados son: i) el caso de un fluido en canal cerrado que fluye a través de un cilindro, ii) el caso de un fluido que fluye a través de un alabe controlado, y iii), el caso del control de un fluido de superficie libre durante el vertido. La implementación de estos primeros casos establece las formulaciones y limitaciones de aplicaciones futuras. Los resultados permitirán al lector no solo sostener los modelos implementados sino también desglosar los conceptos de la implementación en software para una mejor comprensión. En la implementación principal se consigue una simulación rápida de dinámica de fluidos basada en GPU. Los resultados muestran que esta implementación se puede utilizar en tiempo real para permitir que la robótica realice una tarea de vertido ciego con un controlador convencional sin que sea necesario algún sistema de sensado especial ni algún modelo predictivo basados en el conocimiento.