ZÁKLADY ROBOTIKY Úvod do mobilní robotiky

ZÁKLADY ROBOTIKY Úvod do mobilní robotiky Ing. Josef Černohorský, Ph.D.

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

Úvod do mobilní robotiky Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Z ákladní ot ázky pro tento blok? Základní otázky Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Rozdíl mezi autonomním a dálkově ovládaným robotem? • Možné typy podvozků? • Manévrovatelnost jednotlivých typů? • Výhody a nevýhody? • Druhy navigací, navádění v prostoru? • Mapovaní a výpočet trajektorie?


Druhy mobiln ích podvozk ů mobilních podvozků Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy


Typick á prost ředí Typická prostředí Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy


Demonstrace obt ížnosti mobiln obtížnosti mobilníí robotiky Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• AMR – Autonomní mobilní robot • 2004 – závod AMR z Los Angeles do Las Vegas (142 mil za 10 hodin o 1 000 000 USD • Původně 106 týmů, nakonec 24 startujících • Nejlepší ujel 7,4 míle


Historie mobiln mobilníí robotiky Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• 1868 – Derrick Zadock patent na SteamMan • Schopen překonat nerovnosti ±9“ • Cena 2000$, garantován roční bezúdržbový provoz za 300$ • Plán na sestrojení robokoně s 12HP http://www.davidbuckley.net/DB/HistoryMakers/1868DederickSteamMan_files/1868-DederickSteamMan600.jpg



http://www.davidbuckley.net/DB/HistoryMakers/1868DederickSteamMan_files/patents.png


Historie mobiln mobilníí robotiky Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky

• 1911 „Occultus“ přezdívaný Barbarosa vystavený v Berlíně, konstruktér Whitman • Pouze výstavní účely

Kráčející roboti Problém určení polohy

http://www.davidbuckley.net/DB/HistoryMakers/Pseudo+'Art'robots/BarbarossaP1.jpg



• 1893 – Patent na mechanického koně • 1960 – GE Quadruped • 1980 – Průmyslové nasazení AGV (Automated guided vehicles) http://cdn-www.cracked.com/articleimages/randall/MilitaryVehicles/MVQuad2.jpg


Historie mobiln mobilníí robotiky Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky

• 1900++ – Sony Aibo 9W spotřeba v autonomním módu, 1,65 kg • 20 stupňů volnosti


http://www.avland.co.uk/sony/ers7/ers7.jpg



http://click.linksynergy.com/fs-bin/click?id=pfx43N2Vkzg&offerid=14941.10000096&type=2&subid=0


Honda Asimo Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

http://world.honda.com/ASIMO/history/image/top/title.jpg


Kolov é podvozky Kolové Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Různý počet aktivních (hnacích; řídicích) a pasivních • Vliv na manévrovatelnost, stabilitu • Vliv na složitost výpočtu trajektorie a metody finálního přiblížení


Diferenci ální podvozek Diferenciální Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• 2 kola hnací • 1-2 kola pasivní, stabilizační, excentricky uložená (nebo třecí plošky, ne kola)

http://www.mrrobot.com/images/tjpro2.jpg


Diferenci ální podvozek Diferenciální Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Lehký, levný, indoor • Jednoduchá a relativně přesná odometrie (s integrační chybou) • Dobrá manévrovatelnost • Obvykle kruhová základna


Trojkolový podvozek s vvšesměrovými šesměrovými koly Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• • • • •

3 aktivní kola s dvěma stupni volnosti Kola složená se segmentů (všesměrová kola) Zelený vektor – hnací Oranžový vektor – odvalování Nejobtížnější přímý směr

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2f/Robot_omnidirectional_movement_speedvectors.PNG


Trojkulový podvozek Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

http://www.prm.ucl.ac.be/recherche/projets/rollmobs/rollmobs1.jpg http://www.prm.ucl.ac.be/recherche/projets/rollmobs/rollmobs2.jpg


Podvozek s vvšesměrovými šesměrovými koly Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• • • •

Tři motory Řízení rychlosti a směru je spřažené Odometrie prakticky nepoužitelná Indoor použití (překážky velikostí poloviny průměru segmentu jsou problém) • Pohyb libovolným směrem, bez předchozího otočení platformy


Č tyřkolový „„automobilní automobilní podvozek “ Čtyřkolový podvozek“ Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Okamžité středy otáčení a) Automobilový podvozek b) 3 řiditelná kola, také Akermanova podmínka Smutný V., IRO-2008-Lecture-03.pdf, CVUT 2008


Automobilový podvozek Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• • • • •

Nezávisle řízená přední kola Hnaná zadní kola Obvykle u větších robotů s vyšší nosností Obvykle outdoor použití Nelze se otáčet na místě


Synchronn Synchronníí podvozek Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• • • •

Kola 2 stupně volnosti Všechna kola stejnou orientaci a rychlost Každé kolo 2 pohony Nebo svázané mechanicky (složitější konstrukce), teoreticky jen dva pohony na libovolný počet kol


Synchronn Synchronníí podvozek Druhy mobilních podvozků

•

Trocha historie

•

Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

•

Nezávislé řízení rychlosti a směru Velmi dobrá manévrovatelnost Indoor


Č tyřkolový synchronn Čtyřkolový synchronníí podvozek Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• 4 řízená • Alespoň 2 hnací • Vysoce stabilní • Konstrukčně složité

http://www.mathworks.com/company/newsletters/digest/2005/sept/images/mb_movement_wl.gif


T říkolka Tříkolka Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Není možná rotace na místě • Možnost uváznutí v rozích a úzkých prostorách • Snadná a levná konstrukce • Nezávisle řízená rychlost a směr • Snadná odometrie


Speci ální outdoorov é podvozky Speciální outdoorové Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

http://csatweb.csatolna.hu/tagok/csa/mars/rover.jpg



http://www.globalsecurity.org/military/systems/ground/images/talon-01.jpg



• Prokluz pásů při otáčení • Vyšší energetická náročnost jak při zatáčení, tak při jízdě • Použití i v těžkém terénu


Speci ální outdoorov é podvozky Speciální outdoorové Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky

• • • •

Náhrada pásu dvěma koly blízko sebe Stejné otáčky diferenční řízení Lepší energetické parametry při jízdě v před Smýkání při zatáčení, vyšší náročnost


http://www.uamt.feec.vutbr.cz/robotics/utar/gallery/gears_1.jpg


Kr áčející roboti Kráčející Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

https://ai.ia.agh.edu.pl/wiki/_media/hexor.png?w=&h=&cache=cache



• Cílem je větší průchodnost terénem než u např. pásových podvozků • Počet stupňů volnosti končetiny • Statická stabilita, průmět těžiště uvnitř podstavy končetin v kontaktu s terénem • Dynamická stabilita – sprinter, lyžař, těžiště mimo chodidla



• Počet nohou vs. nutnost přesunu těžiště • Méně nohou více stupňů volnosti (2 nohy, 5 a více stupňů volnosti, 6 nohou 2-3 stupně volnosti)


Plaz ící se robot Plazící Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

http://www.techfresh.net/wp-content/uploads/2008/03/modular-snake-robot.jpg


Ur čení polohy mobiln ího robota Určení mobilního Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Integrace přírustků k počáteční poloze – – – –

Odometrie – měření otáčení kol Doplerův princip – měření relativní rychlost Inerciaální sensory – akcelerometry Gyroskopy a „elektronické kompasy“

• Triangulace – měření úhlů k orientačním bodům – Měření vzdálenosti vůči orientačním bodům


Odometrie Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Měření otáčení kol a směru pohybu – – – –

Prokluz Deformace poloměru při zatížení Stranové úchylky pneumatik při zatáčení Chyby vzorkování

• Murphyho pravidlo – chyby a tolerance se vždy sčítají nejhorším možným způsobem


Sledov ání vod ící ččáry áry Sledování vodící Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Optický princip – Čára libovolně dlouhá, krátké poruchy nevadí, citlivé na čistotu

• Magnetický princip – Magnetická páska, snímán halovou sondou, krátké poruchy nevadí, necitlivé na čistotu (špony a piliny)

• Indukční smyčka – Vodič procházený proudem, lze aktivně řídit křižovatky


Inerci ální navigace Inerciální Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• • • •

Měření podélných a příčných zrychlení Dvojitá integrace Akcelerometry na MEMS principech Určení polohy je problematické, v delším časovém horizontu s velkou chybou • Elektronické kompasy – magnetické pole Země slabé, lokálně ovlivněno silovými vodiči a jiným elektromagnetickým smogem


Odhad polohy z m ěření vzd álenosti měření vzdálenosti Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Odměření vzdálenosti od známých orientačních bodů „majáky“ • 2D 2 majáky – 2 řešení

• 3D 2 majáky – kružnice 3 majáky – 2 řešení


Odhad polohy z m ěření úúhlů hlů měření Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Měření úhlů mezi majáky


Bezkontaktn ěření vzd álenosti Bezkontaktníí m měření vzdálenosti Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Ultrazvukové měření – Počítání času do přijetí odrazu ultrazvukové vlny (travel time) – Senzory založené na Dopplerově principu • Statické vysílače, pohybující se příjímač (nebo opačně) • Mikrovlnné radary – 2 předchozí principy – FMCW princip



• Laserové radary a skenery – Stejné principy, jiná vlnová délka – Změna intenzity nebo rozložení prostorového nebo spektrálního



• Materiály musí mít dobrou odrazivost • Eliminovat rušení pomocí atypických frekvencí a tvarů signálu • Kombinace více principů • Vyhodnocení překážek pouze v určitém intervalu



• Materiály musí mít dobrou odrazivost • Eliminovat rušení pomocí atypických frekvencí a tvarů signálu • Kombinace více principů • Vyhodnocení překážek pouze v určitém intervalu • Problematické vyhodnocení pohybujících se překážek • FMCW a složitějším zpracováním se dá zlepšit přesnost


GPS syst ém systém Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

• Indoor přijímače výrazně citlivější a dražší • NAVSTAR (Navigation Signal Timing and Ranging • 6 drah, původně 24 družic pravidelně, nyní 32 nepravidelně, oběh za 11h 58 min, výška 20200m • Výpočet z časových značek a známé polohy družic proveden výpočet • Chybu měření ovlivňuje rozmístění viditelných družic (nad polokoulí) u nás min. 6 obvykle 8 max. 12 družic



• Tři segmenty – Satelitní – L1 frekvence 1575,42MHz@20-50W satelity unikátní kód a poloha satelitů je známá, tak lze časového posunu od satelitu k přijímači určit polohu – Kontrolní – 5 pozemních stanic o známé poloze, model ionosféry, korekce časových značek apod. – Uživatelský – přijímač (12 satelitů maximálně viditelných, více než 12 kanálů nemá smysl)



http://www.kosmo.cz/data/1025/gps.jpg


Pod ěkování Poděkování Druhy mobilních podvozků Trocha historie Kolové podvozky Speciální podvozky Kráčející roboti Problém určení polohy

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

ZÁKLADY ROBOTIKY Úvod do mobilní robotiky

Recommend Documents