Roboterkonstruktionen und Programmierstrategien

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1 Roboterkonstruktionen und Programmierstrategien für den LEGO -Roboter-Wettbewerb Oktober/November 2002 Prof. Dr. Michael Wülker Fachhochschule Offenburg Prof. Dr. Michael Wülker 1

2 Überblick Mobile Roboter sollten sich in alle Richtungen bewegen,... Hindernisse erkennen und sie überklettern bzw. umfahren,... ihre Position kennen,... sich gezielt einen Weg entlang von Navigationshilfen suchen,... den Überblick über ihre Umgebung bewahren,... Fehler von Sensoren und Antrieben einkalkulieren und möglichst viele Punkte sammeln. Welche Roboter gibt es an der Fachhochschule? Prof. Dr. Michael Wülker 2

3 Antriebs- und Lenkkonfigurationen Dreiradkonfiguration mit lenkbarem Antriebsrad (2-DOF: zwei Antriebs-Freiheitsgrade, Degrees-Of-Freedom ) Synchroantrieb (2-DOF) Ackermann-Lenkung (2-DOF, Automobilbau) Prof. Dr. Michael Wülker 3

4 Differenzielle Steuerung differenzielle Steuerung braucht zwei gleichartig konstruierte Motoren (2DOF) Roverbot mit Rädern Melboy (Komoriya und Oyama 1994) Prof. Dr. Michael Wülker 4

5 MDOF-Multi-Degrees-of-Freedom 4-DOF 4-DOF 8-DOF Prof. Dr. Michael Wülker 5

6 Raupenantriebe schlechte Odometrie wegen Reibungseinfluss (eher für Fernbedienungsbetrieb geeignet) Andros V (Univ. of Michigan) Roverbot mit Raupen Prof. Dr. Michael Wülker 6

7 Relative Positionsbestimmung freie Fahrt mitprotokollieren (Odometrie): Entfernung Richtung Odometrieverfahren: Motorlaufzeit optische Winkelmesser Inertialsysteme (Flugzeuge) Odometrietests unidirektionaler Quadrattest bidirektionaler Quadrattest statistische Fehler unidirektionaler Quadrattest Prof. Dr. Michael Wülker 7

8 Odometriefehler-Bestimmung Problem des unidirektionalen Tests: Fehler kompensieren sich! bidirektionaler Quadrattest Prof. Dr. Michael Wülker 8

9 Odometrie-Fehlerellipsen statistische Fehler aufgrund von Oberflächenunregelmäßigkeiten systematische Untersuchung statistischer Fehlereinflüsse Prof. Dr. Michael Wülker 9

10 Hindernisumfahrung Erkennung eines Hindernisses mit einem Taster bei bekannter Größe feste Voreinstellung möglich (z. B. Startbox) Ausweichstrategie für unbekannte Hindernisgröße? (z. B. Bande des Tischs) Soll der Roboter das Hindernis überklettern? Prof. Dr. Michael Wülker 10

11 Absolute Positionsbestimmung Kenntnis über Lage von Hindernissen Hürden Tischumrandung (Pfosten) Startbox Navigationsmarken blaue/schwarze Linien Methoden zur absoluten Positionsbestimmung Erkennung von künstlichen oder natürlichen Navigationsmarken Vergleich zwischen Umgebungsmodell und Landkarte (geometrisch oder topologisch) Matsuda und Yoshikawa, 1989 Prof. Dr. Michael Wülker 11

12 Nutzung von Navigationsmarken: Folgen einer Wand Steuerung ( open-loop-control ) Problem: Fehlerellipsen werden größer anfängliche Orientierung nicht perfekt Geradeausfahrt nicht perfekt Wand ist nicht gerade Frage: Wie geht man bei völliger Dunkelheit am besten durch eine Raum? Regelung hält Abstand konstant ( closed-loop-control ); Entfernungsmessung erforderlich: Biegesensor IR-Entfernungsmessung (berührungslos) Taster (berührend) Prof. Dr. Michael Wülker 12

13 Folgen einer Wand: Zweipunktregelung Zweipunktregelung Hysterese durch (unterschiedlich lange) Drehzeiten Prof. Dr. Michael Wülker 13

14 Folgen einer Wand: Zweipunkt- oder Dreipunktregelung Zweipunktregelung Hysterese durch (unterschiedlich lange) Drehzeiten Dreipunktregelung Montage zweier unterschiedlich langer Tastarme Prof. Dr. Michael Wülker 14

15 Folgen einer Wand: kontinuierliche Regelung Sollwert für die Fahrzeit: - bei zu kurzer Fahrzeit wird nach rechts gedreht - bei zu langer Fahrzeit wird nach links gedreht Drehwinkel proportional der Abweichung von der Sollfahrzeit k ( t soll t ist ) Falls zu lange keine Berührung erfolgt, sollte mal nach links gedreht werden. Prof. Dr. Michael Wülker 15

16 Eckenerkennung und -vermeidung Regelung funktioniert auch! kurze Fahrzeit führt zu einer Drehung nach rechts Problem: viele kleine Schritte bis Roboter parallel zur zweiten Wand Steuerung ist schneller: Wenn rechter Taster berührt, fahre zurück und drehe etwas weniger als 90 nach rechts. Prof. Dr. Michael Wülker 16

17 Nutzung von Navigationsmarken: Folgen einer Linie Zweipunktregler für Linienverfolgung im Programmierkapitel schon vorgestellt. Welche Anfangsbedingungen müssen sichergestellt werden? Kontinuierliche Regelung möglich schräge Fahrt über schwarzen und türkisenen Streifen Prof. Dr. Michael Wülker 17

18 Landkarten Beispiel eines sehenden Roboters mit Schwenk-Neige-Kamera und Infrarot-Entfernungsmesser (ARK - Autonomous Robot for a Known Environment, Atomic Energy of Canada Ltd.) Karte der Wettkampfarena Wahl eines Koordinatensystems Was sollte die Landkarte enthalten? Wie findet man sich dann zurecht? Prof. Dr. Michael Wülker 18

19 Vermessung des Umfelds 360 -Scan mit IR-Sender und Lichtsensor Datenlog Prof. Dr. Michael Wülker 19

20 Auswertung der IR-Karte Darstellung im Polardiagramm mit Überlagerung des erwarteten Ergebnisses bei - dünnem IR-Strahl und - linearer Abstandsabhängigkeit Prof. Dr. Michael Wülker 20

21 Karte über Laser-Radar (Lidar) MobotV der Universität Kaiserslautern Prof. Dr. Michael Wülker 21

22 Kalibration der Sensoren Farberkennung des Lichtsensors Vermessung von Referenzbereichen Verfolgen der Drift auf gleichmäßiger Fläche einer bekannten Farbe Geschwindigkeit Zeitmessung für Marken bekannten Abstands Drehwinkel Zeitmessung für analoge Stellen bei Drehung auf einer geraden Linie Ansprechpunkt von Tastsensoren Zeitmessung bei bekanntem Abstand einer Marke von einem Hindernis und bekannter Geschwindigkeit Prof. Dr. Michael Wülker 22

23 Java-Simulation eines NQC-Programms Java-Simulation eines lejos-programms? Prof. Dr. Michael Wülker 23

24 Greifer für den Stein der Weisen Greifer von Minerva: Riementrieb verhindert zu hohe Greifkräfte. Prof. Dr. Michael Wülker 24

25 Ausblick: Wo steht dieser Roboter? Schweißroboter des Schweißtechniklabors Prof. Dr. Michael Wülker 25

26 Ausblick: Wo steht dieser Roboter? Schachroboter (CIM) Prof. Dr. Michael Wülker 26

27 Ausblick: Wo steht dieser Roboter? Handhabungsroboter am Hochregallager (CIM) Prof. Dr. Michael Wülker 27

28 Ausblick: Wo steht dieser Roboter? Portalroboter und Transportstraße (CIM) Prof. Dr. Michael Wülker 28

29 Ausblick: Wo steht dieser Roboter? Autonomes Transportfahrzeug (CIM) Prof. Dr. Michael Wülker 29

30 Ausblick: Wo steht dieser Roboter? Autonomes Transportfahrzeug (CIM) Prof. Dr. Michael Wülker 30

31 Quellen J. Borenstein, H. R. Everett, L. Feng: Where am I? Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning, of Michigan, Michigan 1996 The Rossum Project Prof. Dr. Michael Wülker 31

32 Zusammenfassung Antriebskonzepte von mobilen Robotern relative und absolute Positionsbestimmung Vermeiden und Nutzen von Hindernissen Steuerung und Regelung des Roboterverhaltens Sensor- und Geschwindigkeitskalibration Java-Simulation eines NQC-Programms FHO-Roboter-Quiz Prof. Dr. Michael Wülker 32