Kybernetik. Vorlesung Juni Dr. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik SS 2008

Transkript

1 Kybernetik Vorlesung 7 10 Juni 2008 Dr. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik SS 2008

2 Heutiges Thema: Einführung in die Robotik

3 Was ist ein Roboter? Ein Roboter ist ein technisches Gerät, das von einem Computer gesteuert ist, um bestimmte Aufgaben selbstständig auszuführen.

4 Was ist ein Roboter? Durch sein Control System muss ein Roboter: Control System Sensordaten interpretieren Planen Aktionsauswählen Sensor Data Actions

5 Klassifikation von Robotern Es gibt insgesamt zwei Hauptgruppen von Robotern, welche in unterschiedlichen Gebieten eingesetzt werden. Stationäre Roboter Mobile Roboter

6 Was ist ein Stationäre Roboter? Wie der Name schon sagt, ein stationärer Roboter ist an einem festen Punkt gebunden. Industrie Roboter (ABB)

7 Was ist ein mobiler Roboter? Mobile Ein Roboter wird mobile genannt, wenn er in seiner Umgebung (Land, Wasser, Luft) bewegen kann. Bewegungsarten: Fahren, Laufen, Fliegen, Schwimmen

8 Fahren Laufen Roboter Stanley (Standford- Univ USA) Fliegen ASIMO (Honda) Schimmen Technische Uni-Berlin MIT- Institute (USA)

9 Autonome Mobile Roboter

10 Was ist ein Autonome mobile Roboter? Ein Roboter der sich autonom in seiner Einsatzumgebung bewegt. Autonomie Der Roboter soll selbständig Entscheiden unter unvollständiger Kenntnis seiner Umwelt.

11 Was ist ein Autonome mobile Roboter? Ein Autonomer Mobiler Roboter ist ein System, das mit einer Recheneinheit, Sensoreinheit, und Bewegungseinheit ausgestattet ist Ultraschall Mobiler Roboter Kamera Laserscaner Antrieb

12 Sensoren

13 Sensoren Mit Hilfe von Sensoren kann ein Roboter Informationen aus seiner Umgebung aufnehmen. Physikalisches Signal Sensor Elektrisches Signal Definition Ein Sensor empfängt ein physikalisches Signal und reagiert darauf mit einem elektrischen Ausgangssignal.

14 Abstandssensoren Die Daten von Abstandssensoren eignen sich zur Hindernisvermeidung sowie zur Extraktion eines Models der Umgebung, was zur Navigation genutzt werden kann.

15 Abstandssensoren Techniken der Abstandsmessung Signallaufzeit (time-of-flight) Triangulation Messung der Signalintensität Phasendifferenz In dieser Vorlesung behandeln wir nur die Signallaufzeit und die Triangulation.

16 Abstandssensoren Techniken der Abstandsmessung Signallaufzeit Messung zwischen aussenden und empfangen eines Impulses: Abstand = gemessene Zeit x Geschwindigkeit des Signals / 2 Sensor Signalstrahl Abstand Objekt Der Sender und der Empfänger müssen auf derselben Achse liegen. Messbereich : 1 m - mehrere km

17 Abstandssensoren Sensor (Aktive) Techniken der Abstandsmessung Triangulation Positionsmesselement (Position Sensitive Detector PSD) D α α 2 Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, ändert sich auch der Winkel Reflexions-Punkte D ist bekannt. X X2 Objekt X = D Tanα X 2 = DTanα 2 Messbereich : 0,1 mm m

18 Sensor Technologie

19 Sensor Technologie Bumper (An/Aus) Bumper (Touch Sensors) sind ein Schalter. Ein Schalter ist ein Bauteil, welches entweder Strom fließen lässt oder nicht. Sie werden durch den direkten Kontakt mit dem Hindernis aktiviert. Jedoch sind sie zur Kollisionsvermeidung nicht geeignet.

20 Sensor Technologie Infrarot-Sensor Infrarot ist für das menschliche Auge unsichtbare elektromagnetische Strahlung. Ein einfaches IR-Sensor besteht aus einer IR-Diode als Sender und einem Fototransistor als Empfänger. Messbereich: 20cm bis 150 cm Um die Signale vom Infrarotanteil des Sonnenlichtes oder des anderen Sensoren zu unterscheiden, wird eine Frequenzmodulation genutzt. Dann nur Strahlung mit dieser Modulationsfrequenz werden registriert.

21 Sensor Technologie Ultraschall Ultraschall gibt es in der Natur. Fledermäuse und Delphine nutzen die so genannten SONAR- Techniken. SONAR: SOund NAvigation and Ranging (Schall- Navigation und Messung) Die Frequenzen des Ultraschalls liegen oberhalb des Hörbereiches des Menschen (20 Khz bis Gigaherzbereich).

22 Sensor Technologie Ultraschall Funktionsprinzip Ultraschall wird hauptsächlich auf Basis des Piezoelektrisches Effekts erzeugt und empfangen. Sensor strahlt Ultraschall ab und erkennt den reflektierten Strahl wieder. Dadurch erkennt die Entfernung, in dem ein Hindernis auftritt. Ultraschallsensor Ultraschall senden Reflexion an Objekt Empfang Echosignal

23 Sensor Technologie Ultraschall Funktionsprinzip Die Entfernung d lässt sich mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit c wie folgt berechnen: 1 d = c. t c 340 m / s 2 Bei 20 Maximale Reichweite: 6-8 Meter

24 Sensor Technologie Ultraschall Messfehler 1. Das empfangene Signal gibt Informationen über die Entfernung, nicht über die Winkelrichtung.

25 Sensor Technologie Ultraschall 2. Scheinechos (Crosstalk Problem) Messfehler a) eine Welle kann auf mehreren Objekten reflektiert werden, bevor sie als Echo vom Sensor empfangen wird. Objekt Sensor Objekt

26 Sensor Technologie Ultraschall Messfehler 2. Scheinechos (Crosstalk Problem) b) bei gleichzeitigem Betrieb von mehreren Ultraschallsensoren kann ein Sensor das Echo einer Welle empfangen, die von einem anderen Sensor gesendet wurde.

27 Sensor Technologie Ultraschall Messfehler 3. Andere Probleme: Es können Total- oder Doppelreflektionen auftreten. Objekt Objekt Empfangenes Echo Reflektiertes Signal Sensor Signal Sensor Ultraschallsignal wird an glatten Oberflächen abgelenkt Totalreflexion Doppelreflexion

28 Sensor Technologie Ultraschall Messfehler Ecke Reflektiertes Signal Reflektiertes Signal Unsichtbare Ecke Sensor

29 Sensor Technologie Laserscanner LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch Induzierte Emission). Funktionsprinzip Das Lasersignal wird gesendet, reflektiert von einem Hindernis, und empfangen. Laufzeit-Verfahren Aus dieser Flugzeit t (für Hin- und Rückweg) lässt sich die Entfernung d mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit c ( km/s) wie folgt berechnen: 1 d = c. 2 t Messbereich: Die maximale Die Reichweite beträgt ca. 80m

30 Sensor Technologie Laserscanner Funktionsprinzip von SICK Laserscanner Der gepulste Laserstrahl wird bei dem SICK Laserscanner über einen rotierenden Spiegel abgelenkt. Für eine Rotation benötigt der Spiegel 13,32 ms (75 Hz). Bei der ersten Rotation wird die Entfernung bei 0, 1, 2,... und bei der zweiten Rotation bei 0,5, 1,5, 2,5,... gemessen. In einem Abstand von 10 Metern wird c.a 3,13 cm breite keine Messung haben. Objekt

31 Sensor Technologie Laserscanner Messmethode: gepulster Laserstrahl (SignalLaufzeitverfahren) Reichweite: ca. 30 m Entfernungsmessgenauigkeit: ± 16 mm Schnittstelle: RS 232 Versorgungsspannung: 24 V DC, ±15%

32 Sensor Technologie Laserscanner kleiner Öffnungswinkel genauere Daten. kürzere Signallaufzeiten (Laser hat Lichtgeschwindigkeit) Falsche Reflektionen sind sehr viel geringer als beim SONAR Augenempfindlichkeit Glas reflektiert nicht Spiegel lenken Strahl ab Teuer!

33 Sensor Technologie Radencoder Messung der Umdrehungen eines Rades durch Beobachtung von Markierungen.

34 Sensor Technologie Radencoder Inkrementeller Radencoder Der Radencoder wertet ein kodiertes Rad aus, wobei Markierungen über Licht- Reflexion beobachtet werden. Da die Anzahl von Impulsen pro Umdrehung fest ist, die resultierende Pulsfolge ist direkt proportional zur Rotation.

35 Sensor Technologie Rad-Encoder Inkrementeller Radencoder Ein einfacher Rad-Encoder kann aus einer radial gestreiften Drehscheibe bestehen Infrarot Sender Je nach dem ob ein Schwarzer oder weißer Streifen vor die Lichtschranke gedreht wird, wird ihr Licht in ihren Lichtsensor reflektiert oder nicht. Beispiel Empfänger Die Scheibe besitzt 12 weiße Streifen. drei Impulse bedeutet eine 90 -Drehung und 1200 Impulse 100 Umdrehungen.

36 Aktoren

37 Aktoren Übersicht Mobile Robot Digital Rechner Physikalische Größen Sensoren Aktoren Kräfte oder Bewegungen

38 Aktoren Während Sensoren eine physikalische Größe in elektrischen Signal umwandeln, machen Aktoren (Aktuatoren) genau das Gegenteil und wandeln elektrische Signale in eine andere Energieform um. Elektrisches Signal Aktor Mechanische Arbeit

39 Aktoren Es gibt hauptsächlich drei Arten, elektrische Signale in mechanische Arbeit umzusetzen: 1. Pneumatik 2. Hydraulik 3. Elektrik. Beim Mobilen Roboter werden am häufigsten Elektromotoren als Antriebselemente eingesetzt. Ein mobiler Roboter besitzt insbesondere Aktoren (Z. b. Räder, Beine, oder Ketten) zur Veränderung seiner Position in seiner Umgebung.

40 Aktoren Motoren Auf dem Roboter werden häufig Getriebemotoren (DC motors) eingesetzt. DC Motor Zuerst schließt man die Spannungsquelle an, und je Höhe die Spannung, desto schneller dreht sich der Motor.

41 Aktoren Motoren Motorsteuerung Um die Geschwindigkeit des Motors zu regulieren, muss man Die Pulsweitenmodulation (engl. Pulse Width Modulation, abgekürzt PWM) nutzen. Pulsweitenmodulation Bei der PWM wird die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert. Je länger die Einschaltdauer, desto schneller dreht sich der Motor.

42 Aktoren Motoren Pulsweitenmodulation (Siehe die Tafel)

43 Aktoren Motoren Motorsteuerung Ein Motor kann nicht direkt durch einen Mikroprozessor angetrieben werden, da dieser nicht genügend Strom liefert. Stattdessen muss eine Verbindungsschaltung aufgebaut werden, so dass die Energie für den Motor von einer anderen Spannungsquelle kommt und der Mikroprozessor nur die Steuersignale sendet.

44 Aktoren Motoren Motorsteuerung mit H-Brücke

45 Signalverarbeitungskette Digital Rechner A/D Wandler D/A Wandler Sensoren Physikalische Größen Verstärker Elektrische Energie Energiewandler Mechanische Energie Prozess (Bewegung) Autonomer Mobiler Roboter

46 Antriebskonzepte

47 Antriebskonzepte Differentialantrieb Dieses besteht aus zwei angetriebene Räder auf einer Achse mit einem oder zwei passiv mitlaufenden Stützrädern, die sich frei drehen können.

48 Antriebskonzepte Differentialantrieb Die beiden Antriebsräder liegen auf derselben Achse und werden getrennt angetrieben.

49 Antriebskonzepte Kettenantrieb Hier wird der Roboter nicht von Rädern, sondern, wie ein Panzer, von zwei Ketten angetrieben. Das Prinzip ist analog zum Differentialantrieb.

50 Antriebskonzepte Dreiradantrieb Der mobile Roboter ist mit 2 freilaufenden Räder und ein angetriebenen und gelenkten Rad ausgestattet Es kann aber auch sein, dass ein Motor die beiden Hinterräder antreibt, und ein zweiter Motor, das Vorderrad steuert.

51 Antriebskonzepte Ackermannlenkung Der mobile Roboter hat eine Lenkung wie die von Autos bekannte Lenkung.

52 Kinematik

53 Kinematik Die Kinematik beschäftigt sich mit der Geometrie und den zeitabhängigen Aspekten der Bewegung, ohne die Kräfte, die die Bewegung verursacht.

54 Kinematik Wie beschreibt man die Bewegung eines Roboters? Interne Repräsentation der Bewegung Bewegung der Räder Externe Repräsentation der Bewegung Positionsänderung des Roboters

55 Kinematik Wie beschreibt man die Bewegung eines Roboters? Interne Repräsentation der Bewegung Momentane Geschwindigkeiten der Räder Lenkwinkel der Räder Externe Repräsentation der Bewegung Position in der Bewegungsebene Richtung der Bewegung

56 Kinematik Wie kann man die interne Repräsentation auf eine externe Repräsentation abbilden? Vorwärtskinematik Wie kann man die externe Repräsentation auf die interne Repräsentation abbilden? Rückwärtskinematik

57 Kinematik Omnidirectional Vierrad mit Mecanum-Rädern

58 Kinematik Omnidirectional Vierrad mit Mecanum-Rädern

59 Dr. M. Oubbati, Kybernetik (Neuroinformatik, Uni-Ulm) Vorlesung 7. SS 2008

60 Differentialsantrieb

61 Bewegung Differentialsantrieb v l + v v = r 2 v r v w = l 2 vl + v r = d v v [ x r sinθ, y r cosθ ] ICC = + r r l y Y θ x X

62 Bewegung Differentialsantrieb v w = = v l + v r 2 v r v l 2 r = d v v l r + v r v l v = r= und w=0: der Roboter fährt geradeaus v l v r = r=0 und v=0: der Roboter dreht sich auf der Stelle l v r