Motivation
Die Bewegungsplanung in komplexen Umgebungen ist eine wesentliche Komponente für die Steuerung mobiler Roboter. Die autonome Navigation von Robotern durch Umgebungen mit zeitlich variabler Struktur, z. B. in Gegenwart anderer bewegter Roboter, erweist sich dabei als besondere Herausforderung. Für ein korrektes und zielgerichtetes Verhalten kann es für mobile Roboter in dynamischen Umgebungen oder für Teams kooperierender Roboter von Vorteil sein, die Bewegungsplanung mit zeitlicher und räumlicher Vorausschau durchzuführen. Nach der Bahnplanung ist eine Bahnverfolgung mittels einer robusten Positions- und Geschwindigkeitsreglung von großer Bedeutung. Ziel der Arbeit ist die experimentelle Evaluierung der entwickelten Algorithmen zur Bahnplanung sowie der Positions- und Geschwindigkeitsregelung während der Bahnverfolgung.
Neben der Robotik haben die hier erzielten Forschungsergebnisse beispielsweise auch Bedeutung für die Entwicklung automatisierter Kollisionsvermeidungssysteme in Kraftfahrzeugen. Dieses Projekt ist eine Kooperation mit der Fachgruppe Mechatronik und Dynamik und dem L-LAB. Die Entwicklung der Bahnplanungsstrategien erfolgt durch die Fachgruppe Mechatronik und Dynamik und dem L-LAB, die Umsetzung der Strategien auf mobilen Robotern wird in der Fachgruppe Schaltungstechnik durchgeführt.
Bahnplanung mit statischen Hindernissen
Implementierung
Die Bahnplanung erfolgt unter Verwendung von virtuellen elastischen Bändern, die den Roboter entlang einer Reihe von Stützpunkten in Richtung des endgültigen Zielpunkts "ziehen". Hindernisse und Begrenzungen, wie zum Beispiel Wände, werden als abstoßende Potentialfelder modelliert, die sich auf die Trajektorie des Roboters auswirken. Schließlich werden so genannte Kubische Splines verwendet, um die errechnete Bahnkurve zu glätten. Gerade in dynamischen Szenarien kann es dabei sinnvoll sein, mehrere mögliche Trajektorien im Voraus zu berechnen, um dann situationsabhängig eine auszuwählen.
Die Funktionsfähigkeit der Lösung wurde bereits in ersten Simulationen in der Fachgruppe Mechatronik und Dynamik nachgewiesen. Die Lösung wird nun in Hardware auf reellen Robotern umgesetzt und getestet. In einem ersten Schritt wird das Umfahren statischer Hindernisse untersucht, dann die Vermeidung einzelner, bewegter Hindernisse. Schließlich soll die Kollisionsvermeidung anhand eines dynamischen Szenarios bestehend aus mehreren mobilen Robotersystem getestet werden.
Khepera mit FPGA-Modul
Plattform für die Implementierung ist der Miniroboter Khepera, der um ein FPGA-Modul erweitert ist. Zeitkritische Teile des Reglers werden in der Hardwarebeschreibungssprache VHDL kodiert und auf das in den Roboter integrierte FPGA-Modul portiert. Dies erlaubt eine parallele, hardwarenahe Verarbeitung der Algorithmen. Erst mit der hardwareoptimierten Implementierung auf dem FPGA wird es möglich, die Algorithmen in Echtzeit zu verarbeiten, da der Mikrocontroller des Roboters nur über eine geringe Rechenleistung verfügt. Nach der Implementierung sollen die umgesetzten Algorithmen in Experimenten überprüft und bewertet werden. Hierfür kommt unter anderem die im Fachgebiet Schaltungstechnik entwickelte Telewerkbank, eine Experimentierplattform für Robotersysteme, zum Einsatz. Kameras, die über der Operationsfläche installiert sind, liefern aktuelle Bilddaten, die dazu verwendet werden, um die Positionsdaten der Roboter in Echtzeit zu berechnen und weiterzuverarbeiten. Mit Hilfe der Telewerkbank können die Experimente aufgezeichnet und abgefahrene Bahnen dokumentiert und analytisch ausgewertet werden.
