Architektur der Bremer Autonomen Rollstühle

Transkript

1 Architektur der Bremer Autonomen Rollstühle Thomas Röfer Alter Rollstuhl Hard-/Software-Architektur Rolland Motivation Netzwerk Simulation/Realität Ausweichen

2 Rückblick Kognitive Architekturen Allgemeiner Problemlöser Subsumption Architecture 3-Schichten-Modell Sense-Think-Act-Zyklus Multiagenten Multi-Komponenten Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 2

3 SimRobot Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 3

4 Alter Rollstuhl Sensorik Kamera 12 Bumper 6 Infrarotsensoren 16 Ultraschallsensoren Kamera auf Pan-Tilt-Head Bildschirm Kontrollelektronik Messung der Umdrehung der Antriebsräder Ansteuerung Joystick 5 Microcontroller CAN-BUS Ultraschallsensoren Rechner Pentium 100, 32 MB RAM Berührungssensoren Windows 95 Infrarotsensoren Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 4

5 Alter Rollstuhl Hardware-Architektur Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 5

6 Alter Rollstuhl Teilsysteme StopSensor sensoren Lenkungsdämpfung AdaptiveSteering Grundverhalten BasicBehaviors taktile Sensoren Kollisionsdetektion Ultraschallsensoren Infrarot- Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 6

7 Alter Rollstuhl Asynchronität Realität Steuerprogramm Kontinuierliche Welt Welt SimRobot Steuerprogramm Simulationsschritt SimChair Steuerprogramm Simulationsschritt Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 7

8 Alter Rollstuhl Realität/Simulation Thread 1 SimRobot Controller Thread 2 CanBus Wheelchair Thread 3 FrameGrabber Marks Marks SimChair SimChair Scanner Scanner MarkMap Marks Marks RouteNavigation Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 8

9 Alter Rollstuhl Ereignisse Thread 1 Wheelchair Thread 2 SimChair Thread 3 FrameGrabber handler() Odometry StopSensor AdaptiveSteering BasicBehaviors Marks Marks handler() controller() MarkMap Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 9

10 Alter Rollstuhl Informationsfluss SimChair Mitteilung SimChair Modifikation Odometry Odometry StopSensor StopSensor AdaptiveSteering BasicBehaviors setposition AdaptiveSteering BasicBehaviors setspeed Scanner Scanner MarkMap MarkMap RouteNavigation RouteNavigation Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 10

11 Alter Rollstuhl C++-Hierarchie Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 11

12 Alter Rollstuhl Lokale Rasterkarte Kurzzeitgedächtnis Speichert die lokale Umgebung des Rollstuhls Größe 4 x 4 m² Einträge löschen nach 30 Sekunden vergessen dynamischer Hindernisse Eingabe 6 schmale und 2 breite Ultraschallsensoren 6 Infrarotsensoren Ausgabe 4 virtuelle Sensoren class GridMap (Member von class BasicBehaviors) Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 12

13 Alter Rollstuhl Grundverhalten Gangverfolgung Wandverfolgung links/rechts Einbiegen in in linke/rechte Tür Tür Fahren Fahren in in eine eine Richtung Stopp Stopp class BasicBehaviors Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 13

14 Alter Rollstuhl Wegmarkenkarte Kurzzeitgedächtnis Speichert die Wegmarken in der lokalen Umgebung des Rollstuhls Radius 5 m 7 2 Symbole Kamera auf dem Schwenkkopf 9 X Wegmarke X 1 class Scanner / class MarkMap Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 14

15 Alter Rollstuhl Lernen Verhalten Gangzentrierung Wandverfolgung links Wandverfolgung rechts Stop Wegmarken X Wegmarke X Wegmarkenkonstellation class RouteNavigation Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 15

16 Rolland Plattform Meyra Genius Sensorik 27 Ultraschallsensoren Sick-Laserscanner Messung von Geschwindigkeit und Lenkwinkel Ansteuerung 2 RS232 Schnittstellen ControlPort ServicePort ControlPort kommuniziert im Takt von 32 ms Rechner Pentium III 600, 128 MB RAM Echtzeitbetriebssystem QNX Ein/Ausgabe Ultraschallsensoren Laserscanner Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 16

17 Rolland Motivation Industrierobotik Service-Robotik Rehabilitationsrobotik Steigende Sicherheitsanforderungen Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 17

18 Rolland Sicherer Rollstuhl Fahrkommando vom Joystick Ultraschalldaten der Umgebung Sicherheitsmodul Sicheres Fahrkommando Der Benutzer interagiert mit sicherem Rollstuhl Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 18

19 Rolland Netzwerk Echtzeitanwendung Asynchrone Anwendung Netzwerk 32 ms Sensorik & Aktuatorik Modul (SAM) Rollstuhl Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 19

20 Rolland Netzwerk Beispiel Protokoll Grundverhalten Wegmarken Weg- Assistent Netzwerk 32 ms Sensorik & Aktuatorik Modul (SAM) Rollstuhl Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 20

21 Rolland Netzwerk Übertragung enum IDs {ID_ODOMETRY, ID_KEY, //... Sender<id,T> template<int id,class T> class Sender void send(const T& t); Beispiel: Sender<ID_ODOMETRY,Position> sndodometry; //... sndodometry.send(position); template<int id,class T> class Receiver bool receive(t& t); Beispiel: Receiver<ID_ODOMETRY,Position> recodometry; //... if(recodometry.receive(position)) // irgendwas mit neuer Position tun... t t Relay Receiver<id,T> Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 21

22 Rolland Netzwerk Pufferung template<int id,class T,int size> class BufferedSender void send(const T& t); Beispiel: BufferedSender<ID_KEY,Key,5> sndkey; //... sndkey.send(key); template<int id,class T,int size> class BufferedReceiver bool receive(t& t); Beispiel: BufferedReceiver<ID_KEY,Key,5> reckey; //... if(reckey.receive(key)) // irgendwas mit neuem Tastenanschlag tun... 5 C o b o R send('u') 6 u C o b o Sender::send(p) Receiver::receive(p) 6 u C o b o 3 receive(k) buf[6 3 1] 4 4 Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 22

23 Rolland Softwaredesignprinzipien Entwicklung sowohl in Simulation als auch in Realität Keine dynamische Speicherbelegung im Sicherheitsmodul Einheitliche Streaming-Operatoren Z.B. class Out, class OutTextFile class OutBinaryFile Out& operator<<(out&,const Position&) Kapselung von Hardware und Betriebssystem durch C++-Klassen Z.B. template<int INT> class Interrupt virtual int oninterrupt(); Definition von Symbolen für Basisklassen Z.B. #define SerialBase Interrupt<INT> template<int INT,int PORT> class Serial : public SerialBase //... SerialBase::doSomething //... Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 23

24 Rolland Simulation/Realität Plattformabhängige Dateien In separaten Verzeichnissen (eines pro Plattform) Nur die Dateien aus einem Verzeichnis werden eingebunden Makro REALITY Plattformunabhängkeit durch Makros Z.B. MAKE_PROCESS(class) Realität (separate Programme): #define MAKE_PROCESS(ClassName) \ int main() {ClassName c; c.start(); return 0;} Simulation (Multithreading): #define MAKE_PROCESS(ClassName) \ _PROCESSTEMPLATE<ClassName> _process##classname; Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 24

25 Rolland SAM-Hierarchie real Interrupt<3> Interrupt<4> Net Net Interrupt<5> Realität/Simulation Serial<3> ControlPort<3> Rolland Serial<4> ServicePort<4> Meyra Meyra Platform Relay Relay Sonars Serial<5> Sick<5> Tables Tables Odometry ObstacleMap ObstacleDistance StopInTime SmoothMotionC. ObstacleAvoidance SAM SAM Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 25

26 Rolland SAM-Hierarchie simuliert CONTROLLER Net Net Realität/Simulation Rolland Meyra Meyra Platform Relay Relay Sonars Sonars Sick<5> Tables Tables Odometry ObstacleMap ObstacleDistance StopInTime SmoothMotionC. ObstacleAvoidance SAM SAM Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 26

27 Rolland Kooperatives Ausweichen Volle Volle Benutzerkontrolle Keine relevanten Hindernisse Bremsen Hindernis vorhanden, aber nicht ausweichen Ausweichen Hindernis vorhanden, ausweichen Orientierung wiederherstellen Keine relevanten Hindernisse, Benutzer hat nicht eingegriffen Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 27

28 Rolland Ausweichgeschwindigkeit Volleinschlag rechts Volleinschlag links unmöglich auch mit hoher Geschwindigkeit Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 28

29 Rolland Ausweichrichtung Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 29

30 Rolland Zustandsautomat template<class T> class StateMachine { typedef void (T::*State)(); StateMachine(T* o,state initialstate); void processstate(); void setstate(state s); }; class ObstacleAvoidance { StateMachine<ObstacleAvoidance> sm; void NORMAL() {if(...) sm.setstate(brake);} void BRAKE(); void AVOID(); void BACK2ROTATION(); ObstacleAvoidance() : sm(this,normal) {} void update() {sm.processstate();} }; Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 30

31 Rolland Nutzung von C++ Beispiel class SharedMemory { SharedMemory(unsigned length,const char* name); volatile unsigned char& operator[](unsigned index) const; volatile unsigned char& operator[](unsigned index); }; SharedMemory smhallo(sizeof(int),"hallo"); int& hallo = (int&) smhallo[0]; hallo = 17; template<class T> class Shared { Shared(const String& name); operator const T&() const; operator T&(); const T& operator=(const T& t); }; Shared<int> hallo("hallo"); hallo = 17; Kognitive Robotik II Architektur der Rollstühle 31