Entwurf autonomer mobiler Systeme

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1 Entwurf autonomer mobiler Systeme NI LabVIEW Robotics als Standardhard- und - softwareplattform für mobile Robotersysteme Jochen Klier AE-Specialists Manager

2 Agenda Herausforderungen in der Robotik LabVIEW in Robotikanwendungen LabVIEW Robotics Beispiel: Roboternavigation mit A*

3 Interdisziplinäre Aufgaben Einbindung von Sensoren verschiedener Hersteller Einbindung von Embedded-Systemen (Microcontroller, FPGA) Bilderfassung und -verarbeitung Kommunikationsprotokolle Intelligente Algorithmen zur Sensordatenfusion, Navigation, Hindernisvermeidung usw. Mechanisches Design Steuerung und inverse Kinematik

4 Heterogene Hard- und Softwareumgebung C, C++, C# Java Assembly Chipspezifische Sprachen VHDL.NET

5 [Robotics] is a highly fragmented industry with few common standards or platforms. Projects are complex, progress is slow. Whenever somebody wants to build a new robot, they usually have to start from square one. Bill Gates Chairman, Microsoft Corporation

6 Eine Robotikplattform für jedes Alter NI LabVIEW LEGO WeDo powered by LabVIEW LEGO MINDSTORMS NXT powered by LabVIEW VolksBot Lab

7 DARPA Urban Challenge Autonome Navigation durch 100 km städtische Umgebung Beachtung aller Verkehrsregeln Sichere Umfahrung von Hindernissen und Absperrungen Sichere Interaktion mit anderen UGVs und bemannten Fahrzeugen in allen Verkehrssituationen darpa.mil

8 Odin belegte den 3. Platz Team bestand aus Virginia Tech, TORC, Ford, etc x kleineres Budget als andere Top-Teams 2 Quad-Core Server vs. ~10 40-Core Server

9 Odin Warum LabVIEW? Plattform für schnelle Entwicklung Fokussierung auf die Robotikaufgabe anstatt auf IT Einheitliche Werkzeuge für Windows, Linux, VxWorks, FPGA Schnelle Entwicklungszyklen Sehr umfangreiche I/O-Unterstützung für Hardware von NI und anderen Herstellern

10 LabVIEW Robotics 2010 IP für Navigation, Lenkung, Kinematik usw. Grafische Programmierumgebung Einsatz auf Echtzeit- und FPGA -Hardware Schnittstellen für Sensoren und Aktuatoren namhafter Hersteller Werkzeuge für die Integration textbasierter Algorithmen Beispiele praxisnaher Anwendungen

11 LabVIEW Robotics 2010 Software Bundle LabVIEW Modules LabVIEW Real-Time LabVIEW FPGA LabVIEW MathScript RT LabVIEW Control Design and Simulation LabVIEW Statechart NI Vision Development Module LabVIEW NI SoftMotion PID Control Toolkit LabVIEW System Identification Toolkit Robotics IP and Examples Sensor and Actuator Drivers Path Planning Obstacle Avoidance Steering Kinematics Communication Protocols Connectivity to Third- Party Software Motion Vision Control and Simulation

12 Beispiele für Zielplattformen NI Single-Board RIO Embedded-Controller-Platine Integrierter FPGA und Echtzeit-Prozessor Eingebaute und über Module erweiterbare analoge und digitale Ein- und Ausgänge NI CompactRIO Embedded Controller mit robustem mechanischen Aufbau Integrierter FPGA und Echtzeit-Prozessor Vielfältige I/O-Module NI Robot Starter Kit Robot-Kit auf Basis von NI Single-Board RIO Beinhaltet Ultraschallsensor, Motoren, Drehgeber, Akku und Ladegerät Sofort startklar mit einfacher Hinderniserkennung und -vermeidung

13 Beispiel: Roboternavigation mit A*

14 Routenplanung mit dem A*-Verfahren A B C D E F G A Hindernis B 4

15 Routenplanung mit dem A*-Verfahren Offene Liste (OL) A B C D E F G Geschlossene Liste (GL) Parent-Pointer (PP) A Hindernis B 4 1. Benachbarte Felder des Startpunkts werden auf die OL gesetzt. 2. Der Startpunkt wird auf die GL gesetzt. 3. PP zeigen auf Startpunkt

16 Routenplanung mit dem A*-Verfahren Offene Liste (OL) A B C D E F G Geschlossene Liste (GL) Parent-Pointer (PP) F = G + H F 60F 54F 14G 60H 10G 50H14G 40H 60F 40F 10G 50H 74F A 60F 10G 30H 54F 14G 60H 10G 50H14G 40H Hindernis B Bewertung der benachbarten Felder: F = Bewertungsfaktor der Felder der OL G = Bewegungskosten (10 für gerade, 14 für diagonal) H = Geschätzte Bewegungskosten zum Ziel (Luftlinie ohne diagonale Bewegungen)

17 Routenplanung mit dem A*-Verfahren Offene Liste (OL) A B C D E F G Geschlossene Liste (GL) Parent-Pointer (PP) F 60F 54F 14G 60H 10G 50H14G 40H 60F 40F 10G 50H 74F A 60F 10G 30H 54F 14G 60H 10G 50H14G 40H 1. Feld mit geringstem Bewertungsfaktor ist neuer Ausgangspunkt und kommt auf die GL 2. Neue benachbarte Wegpunkte kommen auf die OL (in diesem Fall keine) 3. Prüfen, ob sich die Bewertung für die benachbarten Punkte verbessert, wenn die Route durch den aktuellen Ausgangspunkt gelegt wird. Falls ja, PP dieses Punktes auf den aktuellen Punkt setzen und neue Bewertung übernehmen. Hindernis 40F 10G 30H B

18 Routenplanung mit dem A*-Verfahren Offene Liste (OL) A B C D E F G Geschlossene Liste (GL) Parent-Pointer (PP) F 60F 54F 14G 60H 10G 50H14G 40H 60F 40F 10G 50H 74F A 60F 10G 30H 54F Hindernis 14G 60H 10G 50H14G 40H 88F 74F 68F 28G 60H24G 50H28G 40H 54F B 14G 40H Wiederholung des Verfahrens für den nächsten besten Punkt auf der OL

19 Routenplanung mit dem A*-Verfahren Offene Liste (OL) Geschlossene Liste (GL) Parent-Pointer (PP) A B C D E F G 74F 60F 54F 14G 60H 10G 50H14G 40H 60F 40F 10G 50H 74F A 60F 10G 30H 54F Hindernis 62F 58F B 52G 10H 56G 0H 62F 62F 14G 60H 10G 50H14G 40H 42G 20H 52G 10H 94F 80F 74F 68F 68F 68F 24G 60H 20G 60H24G 50H28G 40H 38G 30H 48G 20H Wiederholung des Verfahrens, bis das Ziel Teil der GL ist Hinweis: Für Wegpunkt B4 wurde bei der Auswertung von B3 eine Neubewertung vorgenommen.

20 Routenplanung mit dem A*-Verfahren Offene Liste (OL) Geschlossene Liste (GL) Parent-Pointer (PP) A B C D E F G 74F 60F 54F 14G 60H 10G 50H14G 40H 60F 40F 10G 50H 74F A 60F 10G 30H 54F Hindernis 62F 58F B 52G 10H 56G 0H 62F 62F 14G 60H 10G 50H14G 40H 42G 20H 52G 10H 94F 80F 74F 68F 68F 68F 24G 60H 20G 60H24G 50H28G 40H 38G 30H 48G 20H Verfolgung das Pfads rückwärts vom Ziel B zum Startpunkt A über die Parent-Pointer ergibt die bestmögliche Route

21 Umsetzung in LabVIEW Robotics

22 Fragen? Weiterführende Informationen:

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