Universitt Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Navigation und
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 1 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Inhalt 1. Mobile Roboter 2. Diplomarbeit: Mobiler Roboter – Pfadplanung – Lokalisation – Steuerung 3. Zukünftige Arbeit 2 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 1. Mobile Roboter • Entwicklung • Stand der Technik 3 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Entwicklung in der Robotik Industrie-Roboter (feste Programmierung, kaum Sensoren) Service-Roboter (flexibel, Wahrnehmung der Umwelt durch Sensoren) Personal-Robots (universelle und multimodale Assistenten) 4 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Stand der Technik (1) • Rad-Roboter • Laufmaschinen • Micro-Roboter 5 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Stand der Technik (2) • Humaiods • Entertainment/Ped Robots • . . . 6 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 2. Diplomarbeit • • • Aufgabenstellung Systemaufbau Pfadplanung Lokalisation Regelung Ergebnisse 7 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Aufgabenstellung Aufgabe n Automatisierung der Probennahme, Probenaufbereitung und Archivierung für Fermentationsprozesse in einem biotechnologischen Labor Probleme n Geräte wie Probennehmer, Zentrifuge, Zellzähler und Gefrierschrank sind ausschließlich für die Bedienung durch den Menschen ausgelegt (keine elektr. Schnittstellen) Lösung n Verwendung eines mobilen Roboters mit Manipulatorarm 8 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Differenzierung der Problemstellung 9 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Aufbau des Systems 10 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Pfadplanung Karte Sichtbarkeitsgraph (V-Graph) Tangentengraph (T-Graph) Vorgehensweise: 1. erweiterte Karte der Roboter kann als punktförmig angenommen werden 2. V-Graph und T-Graph zur Karte bestimmen 3. Anwendung des A*-Algorithmus zur Suche nach dem „besten“ Weg („bester“ Weg abhängig von Bewertungsfunktion kurz, sicher, energiesparend, . . . ) 4. 11 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Konfigurationsraum (1) Probleme bei einfacher Polygonerweiterung durch edge shifting: n n Ohren (a), Augen (b), Spitzen (c) Originalkarte muß aus Polygonen bestehen 12 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Konfigurationsraum (2) Erweiterung einzelner Linien: 1. Ideale Erweiterung (a) 2. Approximation der idealen Erweiterung (b-d) 3. Erweiterung eines Polygons wird ersetzt durch Erweiterung einzelner Linien 13 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Karte: Labor 14 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Lokalisation Sensoren 1. Laserscanner (vorne/hinten) 2. Odometrie (Rad-Encoder) 3. Kreiselkompaß (Gyrometer) 4. keine explizite Positionsinformation Modell des Roboters und der Umgebung (zeitdiskretes System) Ein erweiterter Kalman-Filter „vereinigt“ alle Sensorinformationen, um den Systemzustand zu schätzen. Aus dem Modell ist dann die Position des mobilen Roboters ablesbar (x, y, Winkel) 15 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Kalman-Filter (1) Allgemein Messung System Vektor 16 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Kalman-Filter (2) Aktualisierung (Meßdaten) Prädiktion Kalman-Matrix Projektion des Systemzustands (Vorhersage) A-posteriori-Schätzung des Systemzustands Projektion der Kovarianzmatrix des a-priori-Schätzfehlers Kovarianz der a-posteriori-Schätzung 17 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Simulation Mono. Rob (1) 18 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Simulation Mono. Rob (2) Beispiel 1 n Kalman Filter mit Messung der Position und der Distanz zu zwei Features Beispiel 2 n Kalman Filter mit Messung der Position und der Distanz zu vier Features 19 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Simulation Mono. Rob (3) Konsequenz n Je mehr Features der Kalman Filter angeboten bekommt, desto weniger springt die Positionsschätzung Fehlerbetrachtung n Der mittlere quadratische Fehler zwischen der realen und der geschätzten Position sinkt bei steigender Featurezahl 20 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Regelung Blockschaltbild Regelung n n Die Graphik gibt einen Überblick über das Zusammenspiel von Regler, Kalman Filter und der Systemhardware Der Regler wird unterteilt in: 1. Rotationsregler 2. Translationsregler 21 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Rotation Die Rotation unterteilt sich in zwei Phasen: 1. 2. Grobe Einstellung der Orientierung mit Hilfe eines eindimensionalen Filters Feineinstellung des Winkels mit Hilfe eines PI-Reglers 22 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Translation (1) Der Translationsregler arbeitet gleichzeitig mit zwei Konzepten: 1. 2. 3. 2. Ein eindimensionaler Filter bestimmt in Abhängigkeit von den noch verbleibenden Weg. Ein Korrekturregler stellt den Winkel auf 0 Grad ein. 23 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Translation (2) Blockschaltbild Translation n Begrenzung der beiden Regleranteile durch die Kollisionsvermeidung Danach Umrechnung der unterschiedlichen Daten in Radgeschwindikeiten Additive Überlagerung der Radgeschwindigkeiten und Ausgabe auf den mobilen Roboter 24 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform 11/24/2020 Ergebnisse Messung mit Hilfe der Messstangen vorne und hinten am Roboter: Orientierung Position 25 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 Video: Probennahme 26 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
Universität Hamburg Oberseminar TAMS: Navigation und Regelung einer mobilen Roboterplattform Fachbereich Informatik 11/24/2020 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 27 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Daniel Westhoff westhoff@informatik. uni-hamburg. de
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