Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 18.09.2018 Proseminar: Roboter und Aktivmedien Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform

Inhalt Mobile Roboter Diplomarbeit: Mobiler Roboter Pfadplanung 18.09.2018 Inhalt Mobile Roboter Diplomarbeit: Mobiler Roboter Pfadplanung Lokalisation Steuerung Zukünftige Arbeit

18.09.2018 1. Mobile Roboter Entwicklung Stand der Technik

Entwicklung in der Robotik 18.09.2018 Entwicklung in der Robotik Industrie-Roboter (feste Programmierung, kaum Sensoren) Service-Roboter (flexibel, Wahrnehmung der Umwelt durch Sensoren) Personal-Robots (universelle und multimodale Assistenten)

Stand der Technik (1) Rad-Roboter Laufmaschinen Micro-Roboter 18.09.2018 Stand der Technik (1) Rad-Roboter Laufmaschinen Micro-Roboter

18.09.2018 Stand der Technik (2) Humaiods Entertainment/Ped Robots ...

2. Diplomarbeit Aufgabenstellung Systemaufbau Pfadplanung Lokalisation 18.09.2018 2. Diplomarbeit Aufgabenstellung Systemaufbau Pfadplanung Lokalisation Regelung Ergebnisse

Aufgabenstellung Aufgabe Probleme Lösung 18.09.2018 Aufgabenstellung Aufgabe Automatisierung der Probennahme, Probenaufbereitung und Archivierung für Fermentationsprozesse in einem biotechnologischen Labor Probleme Geräte wie Probennehmer, Zentrifuge, Zellzähler und Gefrierschrank sind ausschließlich für die Bedienung durch den Menschen ausgelegt (keine elektr. Schnittstellen) Lösung Verwendung eines mobilen Roboters mit Manipulatorarm

Differenzierung der Problemstellung 18.09.2018 Differenzierung der Problemstellung

18.09.2018 Aufbau des Systems

Pfadplanung Vorgehensweise: 18.09.2018 Pfadplanung Karte Sichtbarkeitsgraph (V-Graph) Tangentengraph (T-Graph) Vorgehensweise: erweiterte Karte  der Roboter kann als punktförmig angenommen werden V-Graph und T-Graph zur Karte bestimmen Anwendung des A*-Algorithmus zur Suche nach dem „besten“ Weg („bester“ Weg abhängig von Bewertungsfunktion  kurz, sicher, energiesparend, ...)

Konfigurationsraum (1) 18.09.2018 Konfigurationsraum (1) Probleme bei einfacher Polygonerweiterung durch edge shifting: Ohren (a), Augen (b), Spitzen (c) Originalkarte muß aus Polygonen bestehen

Konfigurationsraum (2) 18.09.2018 Konfigurationsraum (2) Erweiterung einzelner Linien: Ideale Erweiterung (a) Approximation der idealen Erweiterung (b-d)  Erweiterung eines Polygons wird ersetzt durch Erweiterung einzelner Linien

18.09.2018 Karte: Labor

Lokalisation Sensoren Laserscanner (vorne/hinten) 18.09.2018 Lokalisation Sensoren Laserscanner (vorne/hinten) Odometrie (Rad-Encoder) Kreiselkompaß (Gyrometer) keine explizite Positionsinformation Ein erweiterter Kalman-Filter „vereinigt“ alle Sensorinformationen, um den Systemzustand zu schätzen. Modell des Roboters und der Umgebung (zeitdiskretes System) Aus dem Modell ist dann die Position des mobilen Roboters ablesbar (x, y, Winkel)

18.09.2018 Kalman-Filter (1) Vektor Allgemein System Messung

Kalman-Filter (2) Aktualisierung (Meßdaten) Prädiktion Kalman-Matrix 18.09.2018 Kalman-Filter (2) Aktualisierung (Meßdaten) Kalman-Matrix A-posteriori-Schätzung des Systemzustands Kovarianz der a-posteriori-Schätzung Prädiktion Projektion des Systemzustands (Vorhersage) Projektion der Kovarianzmatrix des a-priori-Schätzfehlers

18.09.2018 Simulation MonoRob (1)

Simulation MonoRob (2) Beispiel 1 Beispiel 2 18.09.2018 Simulation MonoRob (2) Beispiel 1 Kalman Filter mit Messung der Position und der Distanz zu zwei Features Beispiel 2 Kalman Filter mit Messung der Position und der Distanz zu vier Features

Simulation MonoRob (3) Konsequenz Fehlerbetrachtung 18.09.2018 Simulation MonoRob (3) Konsequenz Je mehr Features der Kalman Filter angeboten bekommt, desto weniger springt die Positionsschätzung Fehlerbetrachtung Der mittlere quadratische Fehler zwischen der realen und der geschätzten Position sinkt bei steigender Featurezahl

Regelung Blockschaltbild Regelung 18.09.2018 Regelung Blockschaltbild Regelung Die Graphik gibt einen Überblick über das Zusammenspiel von Regler, Kalman Filter und der Systemhardware Der Regler wird unterteilt in: Rotationsregler Translationsregler

Rotation Die Rotation unterteilt sich in zwei Phasen: 18.09.2018 Rotation Die Rotation unterteilt sich in zwei Phasen: Grobe Einstellung der Orientierung mit Hilfe eines eindimensionalen Filters Feineinstellung des Winkels mit Hilfe eines PI-Reglers

18.09.2018 Translation (1) Der Translationsregler arbeitet gleichzeitig mit zwei Konzepten: Ein eindimensionaler Filter bestimmt in Abhängigkeit von den noch verbleibenden Weg. Ein Korrekturregler stellt den Winkel auf 0 Grad ein.

Translation (2) Blockschaltbild Translation 18.09.2018 Translation (2) Blockschaltbild Translation Begrenzung der beiden Regleranteile durch die Kollisionsvermeidung Danach Umrechnung der unterschiedlichen Daten in Radgeschwindikeiten Additive Überlagerung der Radgeschwindigkeiten und Ausgabe auf den mobilen Roboter

Ergebnisse Messung mit Hilfe der Messstangen vorne und hinten am 18.09.2018 Ergebnisse Messung mit Hilfe der Messstangen vorne und hinten am Roboter: Position Orientierung

18.09.2018 Video: Probennahme

18.09.2018 Zukünftige Arbeit Optimierung und Erweiterung der bestehenden Algorithmen Aufbau eines Demonstrationssystems an der Uni HH Self-Localization And Map-Building (SLAM) mit natürlichen Merkmalen (z.B. Bildverarbeitung) Verbesserung der Steuerung (z.B. Abfahren von Splines) Verbesserung der Robustheit und Verlässlichkeit Entwicklung eines Benchmarks für den Vergleich mit anderen Systemen