Modell-Programmierte Roboter Regelung. Univ.-Prof. Dr. Michael Hofbaur Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik, UMIT, Hall i.

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1 Modell-Programmierte Roboter Regelung Univ.-Prof. Dr. Michael Hofbaur Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik, UMIT, Hall i. Tirol

2 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme komplexe technische Systeme: viele Einzelkomponenten große Anzahl von Betriebs-/Fehlermodes komplexe System-weite hybride Interaktion (c) Microinnova

3 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme komplexe technische Systeme: viele Einzelkomponenten große Anzahl von Betriebs-/Fehlermodes komplexe System-weite hybride Interaktion typischer Modell-Basierter Reglerentwurf: (c) Microinnova System / Regel-Strecke

4 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme komplexe technische Systeme: viele Einzelkomponenten große Anzahl von Betriebs-/Fehlermodes komplexe System-weite hybride Interaktion typischer Modell-Basierter Reglerentwurf: System Modell (c) Microinnova System / Regel-Strecke

5 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme komplexe technische Systeme: viele Einzelkomponenten große Anzahl von Betriebs-/Fehlermodes komplexe System-weite hybride Interaktion typischer Modell-Basierter Reglerentwurf: Modell-basierter Reglerentwurf System Modell (c) Microinnova System / Regel-Strecke

6 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme komplexe technische Systeme: viele Einzelkomponenten große Anzahl von Betriebs-/Fehlermodes komplexe System-weite hybride Interaktion typischer Modell-Basierter Reglerentwurf: Modell-basierter Reglerentwurf System Modell (c) Microinnova Automatisierungseinheit / Regler System / Regel-Strecke

7 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme komplexe technische Systeme: viele Einzelkomponenten große Anzahl von Betriebs-/Fehlermodes komplexe System-weite hybride Interaktion typischer Modell-Basierter Reglerentwurf: Betrieb des Reglers ohne Entwurfsschleife! (c) Microinnova Automatisierungseinheit / Regler System / Regel-Strecke

8 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme komplexe technische Systeme: viele Einzelkomponenten große Anzahl von Betriebs-/Fehlermodes komplexe System-weite hybride Interaktion Ziel: autonomer Betrieb mit beiden Schleifen fehlertolerant zielorientiert, optimal Modell-basiert Modell-programmiert (c) Microinnova

9 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme komplexe technische Systeme: viele Einzelkomponenten große Anzahl von Betriebs-/Fehlermodes komplexe System-weite hybride Interaktion Ziel: autonomer Betrieb mit beiden Schleifen fehlertolerant zielorientiert, optimal Modell-basiert Modell-programmiert (c) Microinnova Modell + Betriebsziel on-line Regler Synthese spezifiziere das WAS und nicht das WIE

10 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme Problematik: Komplexes Gesamtsystem - große Anzahl der Modes Beispiel: 10 Komponenten mit jeweils 5 Modes: Gesamtmodell: Modes Modi Komponenten Ein durchgängiges Tool für Entwurf, Programmierung & Integration

11 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme Problematik: Komplexes Gesamtsystem - große Anzahl der Modes Beispiel: 10 Komponenten mit jeweils 5 Modes: Gesamtmodell: Modes Modi unrealistisch, alle Möglichkeiten vorab abzudecken und geeignete Konfigurationen und Regelunsstrategien zu berechnen. Komponenten Ein durchgängiges Tool für Entwurf, Programmierung & Integration

12 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme Problematik: Komplexes Gesamtsystem - große Anzahl der Modes Beispiel: 10 Komponenten mit jeweils 5 Modes: Gesamtmodell: Modes Modi unrealistisch, alle Möglichkeiten vorab abzudecken und geeignete Konfigurationen und Regelunsstrategien zu berechnen. Komponenten effiziente Algorithmen für: on-line modell-basierte Schlussfolgerung on-line Systemanalyse und Regler / Beobachtersynthese

13 Motivation: Automatisierung komplexer Systeme Problematik: Komplexes Gesamtsystem - große Anzahl der Modes Beispiel: 10 Komponenten mit jeweils 5 Modes: Gesamtmodell: Modes Modi unrealistisch, alle Möglichkeiten vorab abzudecken und geeignete Konfigurationen und Regelunsstrategien zu berechnen. Komponenten effiziente Algorithmen für: on-line modell-basierte Schlussfolgerung on-line Systemanalyse und Regler / Beobachtersynthese Ein durchgängiges Tool für Entwurf, Programmierung & Integration

14 Beispiel: Rekonfigurierbare mobile Roboter Mobile Roboter mit unterschiedlichster Rad-Geometrie und -Funktionalität

15 Hintergrund Multi-Roboter Transport

16 Hintergrund Multi-Roboter Transport aktive Transport-Oberflächen

17 Beispiel Rekonfigurierbare mobile Roboter Modell-programmierte Regelung: Architektur adaptive Kinematik Einheit koordinierte Antriebs-Regelung Drive Unit Handler Rad Einheit 1 higher-level Robot Control - Pfad und Task Planung / Ausführung Drive Unit Handler Rad Einheit 2 hybrider Beobachter & Diagnose Einheit higher-level Roboter Netzwerk hybrides Modell Drive-Unit Netzwerk (CAN)... Drive Unit Drive Frame Handler Handler Rad Einheit n Roboter Sensoren Hybrides Modell spezifiziert die Kinematik & Dynamik des Fahrwerks in den jeweiligen Betriebs/Fehler Zuständen Beobachter & Diagnose Einheit bestimmt den jeweils gültigen Betriebs/Fehler-Zustand des Fahrwerks (bzw. seiner Radeinheiten) Adaptive Kinematik Einheit berechnet die jeweils gültige Kinematik, konfiguriert bzw. rekonfiguriert das Fahrwerk unter Ausnutzung der Fahrwerksredundanzen Koordinierte Antriebs-Regelung Stellgrößenberechnung für die einzelnen Rad Einheiten synchrone (Lenk)/Drehzahl Regelung

18 Beispiel Rekonfigurierbare mobile Roboter Modell-programmierte Regelung: Architektur adaptive Kinematik Einheit koordinierte Antriebs-Regelung Drive Unit Handler Rad Einheit 1 higher-level Robot Control - Pfad und Task Planung / Ausführung Drive Unit Handler Rad Einheit 2 hybrider Beobachter & Diagnose Einheit higher-level Roboter Netzwerk hybrides Modell Drive-Unit Netzwerk (CAN)... Drive Unit Drive Frame Handler Handler Rad Einheit n Roboter Sensoren Hybrides Modell spezifiziert die Kinematik & Dynamik des Fahrwerks in den jeweiligen Betriebs/Fehler Zuständen Beobachter & Diagnose Einheit bestimmt den jeweils gültigen Betriebs/Fehler-Zustand des Fahrwerks (bzw. seiner Radeinheiten) Adaptive Kinematik Einheit berechnet die jeweils gültige Kinematik, konfiguriert bzw. rekonfiguriert das Fahrwerk unter Ausnutzung der Fahrwerksredundanzen Koordinierte Antriebs-Regelung Stellgrößenberechnung für die einzelnen Rad Einheiten synchrone (Lenk)/Drehzahl Regelung

19 Roboter-Fahrwerk Regelung Was macht die Roboterlenkung schwierig? Mehrere gelenkte Räder in unter Umständen ungewöhnlicher Anordnung: Stichwort: Kinematik, inverse Kinematik y R Fahrbefehl Fahrwerk Sollwerte β ξ = y ϕ, β Θ x R R xr ϕ 1 1 R R 2 2 Θ R ϕ 3 β 3

20 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Anstelle einer (manuell) abgeleiteten und entsprechend implementierten inversen Kinematik und Regelung des Fahrwerkes:

21 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Anstelle einer (manuell) abgeleiteten und entsprechend implementierten inversen Kinematik und Regelung des Fahrwerkes: Spezifizieren wir ein Modell, welches die Fahrwerks-Geometrie und Fahrwerks- Funktionalität beschreibt Modell-Programmierung

22 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Anstelle einer (manuell) abgeleiteten und entsprechend implementierten inversen Kinematik und Regelung des Fahrwerkes: Spezifizieren wir ein Modell, welches die Fahrwerks-Geometrie und Fahrwerks- Funktionalität beschreibt Modell-Programmierung Analysieren wir on-line die Fahrwerks-Kinematik und berechnen die inverse Kinematik für den jeweiligen Betriebs-/Fehlerfall On-line Reglersynthese & Reglerausführung

23 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Modell: Spezifiziert die Fahrwerks-Geometrie und Fahrwerks-Funktionalität

24 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Modell: Spezifiziert die Fahrwerks-Geometrie und Fahrwerks-Funktionalität

25 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Modell: Spezifiziert die Fahrwerks-Geometrie und Fahrwerks-Funktionalität

26 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Kinematik Analyse: Die Rad-Geometrie und die Rad-Funktionalität beschränkt die möglichen Fahrbewegungen des Roboters: definieren die Kinematik Beispiel 1: Omni-direktionaler 3-Rad Roboter erlaubte & steuerbare Bewegungen B ξ R x R 3 = y R R Θ R B

27 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Kinematik Analyse: Die Rad-Geometrie und die Rad-Funktionalität beschränkt die möglichen Fahrbewegungen des Roboters: definieren die Kinematik Beispiel 2: 3-Rad Roboter mit gelenktem Vorderrad erlaubte & steuerbare Bewegungen B ξ R x R = y R B R Θ R 3

28 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Kinematik Analyse: Die Rad-Geometrie und die Rad-Funktionalität beschränkt die möglichen Fahrbewegungen des Roboters: definieren die Kinematik Beispiel 2: 3-Rad Roboter mit gelenktem Vorderrad erlaubte & steuerbare Bewegungen B ξ R x R 3 = y R R Θ R B

29 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung Kinematik Analyse: Die Rad-Geometrie und die Rad-Funktionalität beschränkt die möglichen Fahrbewegungen des Roboters: definieren die Kinematik Beispiel 2: 3-Rad Roboter mit gelenktem Vorderrad erlaubte & steuerbare Bewegungen B

30 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung on-line Kinematik Analyse ermöglicht: variable Robotergeometrie Geometrie & Anzahl der Räder kann sich während des Betriebes ändern

31 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung on-line Kinematik Analyse ermöglicht: variable Robotergeometrie Geometrie & Anzahl der Räder kann sich während des Betriebes ändern variable Fahrwerksfunktionalität Betriebs- und insbesondere Fehlermodi

32 Modell-Programmierte Fahrwerk Regelung on-line Kinematik Analyse ermöglicht: variable Robotergeometrie Geometrie & Anzahl der Räder kann sich während des Betriebes ändern variable Fahrwerksfunktionalität Betriebs- und insbesondere Fehlermodi self-awareness System kennt explizit die zum jeweiligen Zeitpunkt gültige Kinematik bzw. den Raum der möglichen & aktuierbaren Bewegungen (B) Validierung eines Fahrbefehls Rekonfiguration ξ R ξ * R

33 (Re)Konfiguration & Regelung Beispiel: Eye-Catcher Task Soll-Verhalten VIDEO eye-catcher_wo_fault.avi Fehler Szenario (blockierte Lenkung in einem Rad) mit Rekonfiguration VIDEO eye-cather_w_cool_reconf.avi

34 Modell-Programmierte Regelung Modell-programmierte Regelung für Serielle Roboter? Schlüsselkomponente: Kinematik Solver für beliebige serielle Roboter Aktuelles Forschungsprojekt am IACE: Modularer Versuchsroboter Husty-Pfurner Kinematik Algorithmus Modell-programmierte Regelungsarchitektur

35 Modell-Programmierte Regelung Zusammenfassung Modell-Programmierte Regelung spezifiziere das WAS und nicht das WIE

36 Modell-Programmierte Regelung Zusammenfassung Modell-Programmierte Regelung spezifiziere das WAS und nicht das WIE wesentlich für diesen Ansatz algorithmisch effiziente on-line Regler-Synthese Symbiose aus Regler Synthese Regler Ausführung

37 Modell-Programmierte Regelung Zusammenfassung Modell-Programmierte Regelung spezifiziere das WAS und nicht das WIE wesentlich für diesen Ansatz algorithmisch effiziente on-line Regler-Synthese Symbiose aus Regler Synthese Regler Ausführung Basis dafür: ein durchgängiges Software-Tool für: Systemanalyse und Simulation, Regler-Synthese / -Entwurf, Regler-Implementierung und deterministische Regler-Ausführung

38 Modell-Programmierte Regelung Zusammenfassung Modell-Programmierte Regelung spezifiziere das WAS und nicht das WIE wesentlich für diesen Ansatz algorithmisch effiziente on-line Regler-Synthese Symbiose aus Regler Synthese Regler Ausführung Basis dafür: ein durchgängiges Software-Tool für: Systemanalyse und Simulation, Regler-Synthese / -Entwurf, Regler-Implementierung und deterministische Regler-Ausführung Damit lässt sich die Regelschleife im weiter gefassten Kontext der Modell-Programmierten Regelung schließen!