Einführung Hardware. Gerald Steinbauer Institut für Softwaretechnologie. Gerald Steinbauer. Konstruktion Mobiler Roboter, PR, WS09

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Heinrich Rothbauer
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1 Konstruktion Mobiler Roboter Einführung Hardware Institut für Softwaretechnologie 1

2 vorhandene Hardware Roboter & Antriebe Sensoren Manipulatoren Quadcopter Agenda 2

3 Pioneer 3DX Allgemein Hersteller ActivMedia Robotics ( meist verkaufte Forschungs- Plattform weltweit Differential Drive 1.2 m/s Höchstgeschwindigkeit unterstützt durch viele Bibliotheken, Simulatoren, Tools Roboter niemals auf den Rücken drehen Kurzschluß! 3

4 Differential Drive V V R R r 2 R R r l D l R WL W WR D 4

5 Momentanpol-Kinematik V D L V L L V D L V L 2 L V R 2 V VR VL W Mp W L 5

6 Pioneer 3DX Odometry Pioneer liefert Odometry gefahrener Weg des Roboters ( s/ φ) geschätzte Geschwindigkeit (v r,v l oder v, ω) Wheel-Encoder pro Rad inkrementeller Sensor akkumulierte Fehler Koordinatentransformation x x t 1 t für globale Koordinaten y t s cos y s sin 1 t t t t 1 t 6

7 Stall Pioneer 3DX Status Roboter Motor blockiert Batterie Spannung Ladezustand 7

8 Pioneer 3DX Stromversorgung 12 V Blei-Gel Akkus bis zu 3 Packs einige Stunden Laufzeit 12 Stunden für Recharge Ladegeräte oder Docking-Station 12 V/5 V Versorgung für zusätzliches Equipment stabilisiert und unstabilisiert extra schaltbar Spannungskonverter 12 V auf 24 V vorhanden 8

Reichweite it 15 cm - 5 m großer Öffnungswinkel (30 )

9 Pioneer 3 Sonar Ultraschall-Abstandssensoren 2 Gruppen â 8 Sensoren (links, 6 x 20, rechts) Time of Flight Messung Reichweite it 15 cm - 5 m großer Öffnungswinkel (30 ) Probleme: Cross-Talk und Rauschen gut geeignet für Hindernisvermeidung 9

10 Pioneer 3DX Steuerung Onboard-Microcontroller Hitachi HS8 ARIA-API/proprietäres API/proprietäres Protokoll steuert nur low-level Aktoren/Sensoren/IOs RS-232 Schnittstelle zum Host einige interne On-board Test-Routinen interne Erweiterungsteckplätze vorhanden (RS232) Notebook random High-Level Steuerung Ubuntu Linux SW-Pakete/Tools installiert Serielle Schnittstelle Roboter (ttys0) USB-Serial-Converter Serial 4-fach Laser (ttyusb0..3) 10

11 Pioneer 3DX IOs durch Mikrokontroller gesteuert eigener API-Befehl Outputs 8 digital Ausgänge (TTL) einige intern verwendet (Gripper, ) Inputs 8 digitale Eingänge g (TTL) 8 analoge Eingänge (0-5V, 8 Bit Auflösung) einige intern verwendet (Batterie, ) 11

12 Pioneer 3DX Operation Panel Resettaste für Roboter-Steuerung Statusanzeige Batterie (grün-orange-rot) serielle Verbindung Motorschalter Freigabe der Motoren Schalter für zusätzliche Spannungs- versorgungen AUX1 AUX2 12

13 Pioneer 3AT Basics gleiches Onboard- Controller wie Pioneer DX3 4WD Differential-Drive Drive mit je 2 gekoppelten Rädern Outdoor-tauglich Wiese Schotter Steigungen g proprietäre Docking Station getrennte Batterie-Sätze für random und wonko (auf Anschlüsse achten!) 13

14 Pioneer 3AT Basics gleiche Onboard-Sensorik wie Pioneer DX3 Odometry Stall Sonar Motor-Notaus-Schalter!!! Notebook wonko fixier Montage-Aufbau vorbreitet für den Katana Arm Spannungsversorgung Kontrollbox 14

15 Krikkit γ Basics Eigenbau Mostly Harmless RoboCup Middle Size Omni-Drive dr, ds, dphi Embedded PC Debian Linux Pnematik-Kicker 200 bar Druckflachen besser keine Finger davor 15

16 Omni-Kamera Firewire bis 1024 x 20 Hz 360 Blick Kamera-Spiegel Anordnung Odometry 3 Wheel Encoder variable Frequenz dr, ds, dphi Krikkit γ Sensorik 16

17 Krikkit γ Kinematik v v l R v l v y x A v l v R y x R y x B 2 2 R l v x C R

18 Robotik Wireless Network Wireless Network A & B Standard nur für Robotik-Anwendungen privates Netz xx (statische Adressen, RoboCup) SSID TU_ROBOTICS_A und TU_ROBOTICS_B, B kein Schlüssel nötig keine Services nach Außen nur über Lab-Netzwerk erreichbar innerhalb des Netzes sind alle Service offen gesamtes Lab in der Brückenkopfgasse für Roboter und Steuer-Notebooks t 18

19 Sick LMS 200 Laser RangeFinder (4,5 kg) Laser Laufzeit Messung (rotierender Spiegel) eine Scan-Ebene 180 oder 110 Scans 0.25, 0.5 oder 1 Auflösung 8 m Tiefe bis 75 Hz abhängig von der Schnittstelle Schnittstelle RS232/RS , 19.2, 38.4 oder 500 kbaud Zeichenorientiertes Protokoll Versorgung 24V (Spannungskonverter nötig), 50 W 19

20 Sick LMS

21 Sick LD OEM Laser RangeFinder (3,2 kg) Laser Laufzeit Messung (rotierender Spiegel) eine Scan-Ebene n Sektoren, zusammen bis 360 m * Auflösung 8 m Tiefe 5 20 Hz Rotation Schnittstelle RS232/RS422/CAN/ArcNet Standard Baudraten Klartext Protokoll Versorgung 24V (Spannungskonverter nötig), 36W 21

22 Sick S300 Laser RangeFinder (1,2 kg) Laser Laufzeit Messung (rotierender Spiegel) eine Scan-Ebene 270 bis 20 m Schnittstelle RS232/CAN/Ethernet 115kB, 1MB, 100MB Klartext Protokoll Versorgung 24V (Spannungskonverter nötig), 11W Sicherheitszertifiziert Schaltausgäne und Encodereingänge 22

23 Hokuyo URG-04LX Laser RangeFinder (~160 g) Laser Laufzeit Messung (rotierender Spiegel) eine Scan-Ebene 240 bis 4 m Schnittstelle RS232/USB Baudraten bis 750 kbits/s Klartext Protokoll Versorgung 5V (extern oder USB), ~2.5W neu wenig Erfahrung im Haus 23

24 Rescue Robot Lurker (Alexander Kleiner, Universität Freiburg) 24

25 PtGrey Research Bumblebee 2 Stereo Vision intern zwei Kameras fertig kalibriert entzerrte Bilder 1024x768 mit 20 Hz Disparity Map per Software Firewire Interface Stereo Vision 25

26 Mono Kamera Sony Firewire Interface gute Farbwiedergabe bis 640 x 480 Pixel diverse Subauflösung diverse Objektive vorhanden 26

27 Firewire Interface für die Roboter-Notebooks PCMCIA-Card nötig 6 pol. Firewire Stecker groß für intern versorgte Kameras 12V Spannungsversorgung vom Roboter nötig 27

28 Inertial Sensor Lagesensor (yaw, pitch, roll, basierend auf Gravitation und Magnetfeld) 3-Achsen Beschleunigunssensor (x, y, z) Drehratensensor (x, y, z) hohe Framerate (bis > 100 Hz) merkliche Drift für Lage- oder Bewegungsmessung proprietärer Bus (Xbus auf USB) 28

GPS globale oder lokale Position Trimble

29 GPS globale oder lokale Position Trimble Pathfinder Pro XT professioneller GPS-Empfänger Schnittstelle RS 232 simples Textprotokoll (NMEA) Differential-GPS Einspielen von Korrekturen möglich Referenzdaten von Rerferenzstationen Multipath-Unterdrückung externe Antenne 29

30 zwei Freiheitsgrade it up/down open/close parallele Ausführung möglich zwei Endschalter-Paare Up/down open/close (Zange/Objekt) nur am Pioneer 3DX Steuerung Simple digitale IOs am Controller im Protokoll integriert Pioneer Gripper 30

31 Katana Arm professioneller Roboterarm 6 Freiheitsgrade 1-5 Arm 6 Gripper relativ gute Traglast (bis 500g) dezitierte Steuerungbox Kommunikation über Ethernet Steuerung erfolgt autark Interfacelibrary für C/C++ diverse Steuerungs-Modi Spannungsversorgung 24V über Spannungswandler

32 Quadcopter I flugtauglicher Quadcopter vier Rotoren leicht zu fliegen liegt als Bausatz vor ;-) intelligente Steuerplatine erledigt die Flug/Lage-Regelung steuert die Motoren funktioniert mit Fernsteuerung basierend auf AVT µc integrierte Sensoren Lage Höhe 32

fungiert als intelligente Steuerung kommuniziert Daten und Befehle zum

33 Gumstix Embedded PC Quadcopter II vollwertiger PC (Arm Prozessor) USB, WiFi, RS232 leicht und klein wenig Stromverbrauch embedded Linux läuft drauf fungiert als intelligente Steuerung kommuniziert Daten und Befehle zum Flight-Controller verarbeitet zusätzliche Sensoren (z.b. Kamera) High-Level Entscheidungen 33

34 Empfohlene Literatur Introduction to Mobile Robots, Buch Quick Starting Manual Sick LMS 200, online Operation Manual Pioneer Robot, online Operation Manual Gripper, online Operation Manual Katana Arm, online Papers zum Quadcopter, Uni Freiburg, online PDFs zum download auf der Übungs-Webseite 34

35 Cooles Beispiel 35

36 Fragen? 36

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