WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA AUTOMATYKI. Robot do pokrycia powierzchni terenu

Transkrypt

1 WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA AUTOMATYKI Robot do pokrycia powierzchni terenu

2 Zadania robota Zadanie całkowitego pokrycia powierzchni na podstawie danych sensorycznych Zadanie unikania przeszkód ruchomych podczas realizacji powyższej misji

3 DEFINICJA POJĘCIA CAŁKOWITEGO POKRYCIA POWIERZCHNI Kolejne odwzorowania powierzchni robota na powierzchnię terenu powstałe w wyniku rzutowania prostopadłego pola powierzchni robota na płaszczyznę XY terenu w każdym punkcie ścieżki ruchu pokrywają całą powierzchnię terenu Robot mobilny Y Robot mobilny Powierzchnia pokrywana Powierzchnia pokrywana Rzut powierzchni robota na powierzchnię terenu (powierzchnia pokryta) Rzut prostopadły X pola powierzchni robota na powierzchnię terenu w każdym punkcie trajektorii ruchu (powierzchnia pokryta)

4 Pokrycie powierzchni na podstawie znanej mapy środowiska oraz danych sensorycznych POKRYCIE POWIERZCHNI Tworzenie mapy terenu na podstawie danych sensorycznych Pokrycie powierzchni na podstawie utworzonej mapy środowiska oraz danych sensorycznych Pokrycie powierzchni bez znanej a priori mapy środowiska Pokrycie powierzchni tylko na podstawie danych sensorycznych

5 ALGORYTM POKRYCIA POWIERZCHNI ( ŚCIEŻKA SIEWCY ) Y Ścieżka siewcy Powierzchnia pokrywana Start Uderzenie w ścianę X

6 BUDOWA ROBOTA MOBILNEGO TALRIK II Koło i blok napędowy 45 0 r = 0,24 m Czujniki zbliżeniowe Czujniki zderzeniowe Koło samonastawne (widok z góry)

7 ALGORYTM UNIKANIA OBIEKTÓW RUCHOMYCH Do robota mogą zbliżać się maksymalnie 3 przeszkody ruchome Obiekty poruszają się ruchem jednostajnym po liniach prostych Kierunki rozpoznawania przeszkód WL W WP Kształt stref wykrywania przeszkód przez czujniki zbliżeniowe L P Autonomiczny robot mobilny TL T TP

8 PRZYKŁADOWY ALGORYTM UNIKANIA OBIEKTÓW RUCHOMYCH Obszar Obszar pokryty Ucieczka Ucieczka w Ucieczka prawo Kontynuacja Ucieczka Kontynuacja i Ucieczka w lewo i do w ścieżki lewo tyłu ścieżki w w prawo pokrycia lewo pokrycia do do tyłu tyłu Ucieczka Ucieczka w Ucieczka prawo Kontynuacja Ucieczka Kontynuacja i Ucieczka w lewo i ścieżki do do ścieżki tyłu tyłu ścieżki w pokrycia w prawo prawo lewo pokrycia pokrycia w do prawo tyłu pokryty Kierunek ruchu robota podczas realizacji zadania pokrycia Kierunek ruchu przeszkody Kierunek ucieczki robota

9 SCHEMAT ZACHOWANIA REAKTYWNEGO (SENSOMOTORYCZNEGO) Bodźce zewnętrzne Wektor sygnałów sensorycznych S Wektor sygnałów sterujących U Akcje Otoczenie Sensory Moduł przetwarzający Układy wykonawcze Zachowanie sensomotoryczne

10 SCHEMAT ZACHOWANIA PSEUDOREAKTYWNEGO Bodźce zewnętrzne Wektor flag i wartości liczników F n Sensory Blok przetwarzający 1 Blok pamięci Blok przetwarzający 2 Blok pamięci... Blok przetwarzający n Zachowanie pseudoreaktywne Wektor sygnałów sensorycznych S Wektor sygnałów sterujących U Akcje Blok wykonawczy Otoczenie

11 STRUKTURA MODUŁU PRZETWARZAJĄCEGO Moduł przetwarzający ma za zadanie na podstawie danych sensorycznych generować sygnały sterujące układami wykonawczymi Moduł przetwarzający zbudowany jest z pojedynczej reguły bądź zbioru reguł Wektor sygnałów sensorycznych S Moduł przetwarzający JEŚLI S TO U Wektor sygnałów sterujących U

12 ROZMYTA KOORDYNACJA ZACHOWAŃ ROBOTA METODA CDB ( Context Dependent Blending ) Zdefiniowanie zachowania podanie reguły R i JEŚLI A i TO C i gdzie: A i zbiory rozmyte opisujące sygnały sensoryczne S lub flag F C i zbiory rozmyte opisujące sygnały sterujące U lub flag F Baza reguł przyporządkowanych danemu zachowaniu B i gdzie: DES i DES ( s,f u) B, B i Bi 1 { } i = R,..., R i, n i = { 1,...,k} Synteza reguł zachowania B i i i ( s,f, u) A ( s,f ) C ( u,f ) ( ) ( i i... A ( s,f ) C ( u,f )) = 1 1 funkcja przynależności do zbioru rozmytego definiującego poszczególne zachowanie n n

13 gdzie: Synteza zachowań generacja sygnału sterującego Przyporządkowanie każdemu zachowaniu kontekstu zastosowania wyrażonego jako zbiór rozmyty o funkcji przynależności Cxt ( s,f ) B i Dla danego zbioru zachowań = { B } DES B DES B funkcja przynależności zbioru rozmytego definiującego zachowanie wypadkowe Sygnał sterujący U wyraża się zależnością U = u DES B 1 ( s,f,u) Cxt ( s,f ) DES ( s,f,u) ( s,f,u) DES (s,f, u) du (s,f, u) du Sygnał sterujący U jest wektorem zawierającym zadane wartości prędkości kół: lewego i prawego B B,...,B k ( )... ( Cxt ( s,f ) DES ( s,f,u) ) = B1 B1 B k B k

14 ZACHOWANIA ELEMENTARNE (PROSTE) 15 GRUP Sygnały wejściowe powiązane są z pojedynczymi wartościami sygnałów sterujących ZACHOWANIA ZŁOŻONE Zbiory dwóch lub więcej zachowań prostych wykonywanych sekwencyjnie I. Pokrycie powierzchni 3 zachowania złożone II. Ucieczki 5 zachowań złożonych III. Pomocnicze 6 zachowań złożonych

15 STRUKTURA BLOKOWA SYSTEMU W ŚRODOWISKU MATLAB-SIMULINK

16 STRUKTURA BLOKOWA SYMULATORA ROBOTA MOBILNEGO Blok systemu sterowania 2 Blok modelu kinematyki i dynamiki 3 Blok pomiarów 4 Blok interfejsu użytkownika 5 Blok modeli przeszkód ruchomych, czujników zbliżeniowych i zderzeniowych

17 RÓWNANIA BLOK DYNAMIKI MODEL ROBOTA MOBILNEGO ( 2 2 2m ) 1 l1 + I z 4 + 2I x1 + 2I 1h & z 1 β = ( M 1 M 2 N 1 f 1 + N 2 f 2 ) h 1 ( m ) [ ] 2 2m1 + 4 r + 2I z1 α& & = M1 + M 2 N1 f1 N 2 f2 Model kinematyki gdzie: m 1 =m 2, m 4 masa koła 1 i 2 oraz masa platformy I x1 =I x2, I z1 =I z2, I z4 zastępcze masowe momenty bezwładności kół 1 i 2 oraz platformy N 1 =N 2 siły nacisku kół na podłoże f 1 =f 2 siły nacisku kół na podłoże r promień kół Model dynamiki i ( m ) [ ] 1 + m układ 4 r && α regulacji cosβ & αβ& sinβ = 1 nadążnej ( m ) [ ] 1 + m4 r && α sinβ & α & β cosβ = 2 2 λ 2 λ Układ formowania sygnałów wyjściowych z modelu

18 MODELE BLOK UKŁADÓW POMIARY ODOMETRII Pomiar długości drogi przebytej przez poszczególne koła, przemieszczenia liniowego robota, prędkości średniej kół Układy odometrii Długość przebytej drogi przez koło 1lub2: N = 2π C gdzie: C e = 360 imp/obr, r promień koła,n liczba impulsów ΔD 1,2 e ( Δ + Δ ) D 2 D Długość drogi przebytej przez robota: ΔD = 1 2 Układy Błąd pomiaru przemieszczenia liniowego robota: Δe D = 0,00144 m zliczające rad Błąd pomiaru prędkości kątowej kół: Δe ω = 0,3491 s Błąd pomiaru prędkości liniowej robota: Δe V = 0,0288 r s m = c m N

19 BLOK SONARY, PRZESZKODY I ZDERZAKI Politechnika Szczecińska Instytut Automatyki Przemysłowej 16 V 2006

20 MODEL SONARU Równanie kinematyki ruchu środka przeszkody P w postaci parametrycznej gdzie: x PSi współrzędna x punktu P w lokalnym układzie współrzędnych (S i ) x P, y P współrzędne punktu P w globalnym układzie współrzędnych i {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8} r promień robota ϕ kąt pomiędzy osiami X A i X S β kąt obrotu platformy mobilnej y p Y Y A y ps Y S. A r.. P. S x p δ. ϕ X S x ps β X A X

21 MODEL SONARU Kształt strefy detekcji przeszkód w lokalnym układzie współrzędnych S i dla sensora ultradźwiękowego UM A-HP firmy SELS y = 0, 3x dla x 0,35 m; 3,4 m y = 0, 174x dla x y = 0, 1x + 0, 45 dla x 0,35 m;1,5 m y = 0,25 dla x ( 2 m; 3,4 m ( 1,5 m; 2 m cm cm - 90 cm - 60 cm cm -0 cm - 30 cm - 60 cm - 90 cm cm cm X S Y S - 30 cm - 60 cm - 90 cm cm cm cm cm cm cm cm

22 ŚCIEŻKA POKRYCIE RUCHU POWIERZCHNI ROBOTA Wartość Bez Przeszkoda przeszkód zmian w kierunku współrzędnej W,P,T W,P,L W,T,L W x ucieczka w do lewo w tyłu, i ucieczka prawo Δx do prawo lewo 2 i tyłu do mm w lewo tyłu Maksymalna wartość zmian współrzędnej x Δx MAX 6 mm

23 STOPNIEŃ S I EFEKTYWNOŚĆ E POKRYCIA POWIERZCHNI Bez przeszkód Przeszkoda - "W" Przeszkoda - "WP" Przeszkoda - "WL" Przeszkody - "W" i "P" i "T" Przeszkody - "W" i "T" i "L" Przeszkody - "W" i "P" i "L" S E % % 93,6 88,3 FNP = 1 93,6 85,6 FNL = 1 93,6 85,6 FNP = 1 93,6 85,6 FNL = 1 93,6 85,5 FNP = 1 93,6 82,5 FNL = 1 93,6 82,5 FNP = 1 93,6 82,5 FNL = 1 93,6 82,5 FNP = 1 93,6 81,6 FNL = 1 93,6 81,6 Zachowanie Ucieczka w prawo Ucieczka w lewo Ucieczka w lewo Ucieczka w prawo Ucieczka w lewo i do tyłu Ucieczka w prawo i do tyłu Ucieczka do tyłu, ucieczka w lewo

24 ODLEGŁOŚĆ l min ROBOTA OD PRZESZKÓD RUCHOMYCH Kierunek Przeszkoda - "W" Kierunek Przeszkoda - "WP" Przeszkoda - "WL" Kierunek Przeszkody - "W" i "P" i "T" Kierunek Przeszkody - "W" i "T" i "L" Kierunek Przeszkody - "W" i "P" i "L" l min m W - - FNP = 1 0, FNL = 1 0, WP - - FNP = 1 0, FNL = 1 0, W P T FNP = 1 0,140 0,143 0,453 FNL = 1 0,141 0,143 0,402 W T L FNP = 1 0,139 0,429 0,144 FNL = 1 0,139 0,453 0,144 W P L FNP = 1 0,142 0,351 0,380 FNL = 1 0,142 0,561 0,879

25