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Publicação
Water simulation and optimization for biomimetic propulsion in underwater vehicles using HLSL
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 20.12 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Despite the large importance of the oceans and other bodies of water to our life, they
remain largely unexplored. Current solutions to explore these environments include
Biomimetic Underwater Vehicles (BUVs), unmanned vehicles inspired by biological life,
usually in their locomotion, which can be used to navigate otherwise complicated terrain,
and can be stealthier than screw-like propellers in underwater vehicles, among other
benefits. Despite these benefits their development is still hampered by one common factor,
the control mechanism. The European SABUVIS project, in which this thesis is included,
aims to tackle this problem by training a control mechanism through a reinforcement
learning algorithm.
This thesis presents the development and evaluation of a real-time fluid simulation
tool designed to support the SABUVIS project. Built using the Unity3D game engine and
accelerated through High Level Shader Language (HLSL), the simulation models fluid
dynamics using an Eulerian (grid-based) approach. Key features include customizable
resolution, multiple rendering modes, and post-processing effects to enhance visualization
and user interaction.
The simulation was tested for correctness and performance under varying conditions.
Results confirmed that the system accurately replicates expected fluid behavior, including
interactions with static obstacles, and performs efficiently enough to support future
integration with reinforcement learning algorithms. Performance benchmarks evaluated
the impact of resolution, overrelaxation, and visualization features on execution time.
Apesar da grande importância dos oceanos e de outras massas de água para a nossa vida, estes permanecem, em grande parte, inexplorados. As soluções atuais para explorar estes ambientes incluem os Veículos Subaquáticos Biomiméticos (BUVs), veículos não tripulados inspirados em organismos biológicos, geralmente na sua locomoção. Estes podem ser utilizados para navegar em terrenos difíceis e são mais furtivos do que veí- culos com propulsão por hélice, entre outros benefícios. Apesar dessas vantagens, o seu desenvolvimento continua limitado, especialmente no que diz respeito ao controlo do movimento. O SABUVIS, projeto europeu no qual esta tese se insere, tem como objetivo abordar este problema através da utilização de aprendizagem por reforço. Esta tese apresenta o desenvolvimento e a avaliação de uma ferramenta de simulação de fluidos em tempo real, concebida para responder às necessidades do projeto SABUVIS. Desenvolvida com recurso ao motor de jogos Unity3D e utilizando a linguagem High Level Shader Language (HLSL) para acelerar os cálculos através da GPU, a simulação modela os fluidos com uma abordagem Euleriana (baseada em grelha). A ferramenta inclui, entre outras funcionalidades, resolução personalizável e vários modos de renderização, facilitando a sua utilização por outros desenvolvedores. A simulação foi testada quanto à sua correção e eficiência em diferentes condições. Os resultados confirmaram que o comportamento do fluido é corretamente simulado, incluindo a interação com objetos estáticos, e demonstraram uma eficiência compatível com os requisitos da aprendizagem por reforço. Os testes de desempenho avaliaram o impacto da resolução, do parâmetro de overrelaxation e dos modelos de visualização no tempo de execução.
Apesar da grande importância dos oceanos e de outras massas de água para a nossa vida, estes permanecem, em grande parte, inexplorados. As soluções atuais para explorar estes ambientes incluem os Veículos Subaquáticos Biomiméticos (BUVs), veículos não tripulados inspirados em organismos biológicos, geralmente na sua locomoção. Estes podem ser utilizados para navegar em terrenos difíceis e são mais furtivos do que veí- culos com propulsão por hélice, entre outros benefícios. Apesar dessas vantagens, o seu desenvolvimento continua limitado, especialmente no que diz respeito ao controlo do movimento. O SABUVIS, projeto europeu no qual esta tese se insere, tem como objetivo abordar este problema através da utilização de aprendizagem por reforço. Esta tese apresenta o desenvolvimento e a avaliação de uma ferramenta de simulação de fluidos em tempo real, concebida para responder às necessidades do projeto SABUVIS. Desenvolvida com recurso ao motor de jogos Unity3D e utilizando a linguagem High Level Shader Language (HLSL) para acelerar os cálculos através da GPU, a simulação modela os fluidos com uma abordagem Euleriana (baseada em grelha). A ferramenta inclui, entre outras funcionalidades, resolução personalizável e vários modos de renderização, facilitando a sua utilização por outros desenvolvedores. A simulação foi testada quanto à sua correção e eficiência em diferentes condições. Os resultados confirmaram que o comportamento do fluido é corretamente simulado, incluindo a interação com objetos estáticos, e demonstraram uma eficiência compatível com os requisitos da aprendizagem por reforço. Os testes de desempenho avaliaram o impacto da resolução, do parâmetro de overrelaxation e dos modelos de visualização no tempo de execução.
Descrição
Palavras-chave
Fluid simulation Biomimetic Underwater Vehicle (BUV) High Level Shader Language (HLSL) Game-engine GPU acceleration