MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 37, s. 97-104, Gliwice 2009 POZYCJONOWANIE I NADĄŻANIE MINIROBOTA MOBILNEGO M.R.K MARIUSZ GIERGIEL, PIOTR MAŁKA Kaedra Roboyki i Mecharoniki, Akademia Górniczo-Hunicza e-mail:giergiel@agh.edu.pl, malka@agh.edu.pl Sreszczenie. W arykule przedsawiono zagadnienia związane z pozycjonowaniem i ruchem nadążnym kołowych miniroboów mobilnych oraz weryfikację eksperymenalną z wykorzysaniem zbudowanego w Kaedrze Roboyki i Mecharoniki AGH miniroboa kołowego. Przedsawiono sposób pozycjonowania miniroboa meodami analiycznymi jak również meodami szucznej ineligencji. Dokonano analizy meod nadążnych wraz z weryfikacja online. Rezulaem przeprowadzonych badań było opracowanie najlepszej i najszybszej meody serowania w czasie rzeczywisym (on-line) miniroboa w nieznanej przesrzeni roboczej. W ramach przeprowadzonych badań powsał akże sysem wizualizacyjno-serujący zasosowany do serowania i pozycjonowania miniroboa. Ciągła analiza i weryfikacja oru jazdy roboa umożliwiła precyzyjne i dokładne osiąganie zadanych rajekorii i celów. 1. WSTĘP Roboyka, a w szczególności roboyka mobilna, sanowi współcześnie wielkie wyzwanie dla wielu naukowców, projekanów i użykowników, sąd eż w Kaedrze Roboyki i Mecharoniki AGH sała się przedmioem rozważań i prac badawczych. Od paru już la poszerzany jes zakres wiedzy na en ema, co zaowocowało wieloma publikacjami [1,3,6,8] jak również zrealizowanymi projekami badawczymi. Prace kaedry koncenrują się w szczególności na mecharonicznym podejściu do projekowania ego ypu konsrukcji oraz na wykorzysaniu przy budowie roboów meod szucznej ineligencji. Isoą niniejszej pracy jes wykorzysanie nowoczesnych meod analizy maemaycznej do modelowania układów nieliniowych [1,2,3] oraz wykorzysanie meod szucznej ineligencji (sieci neuronowych oraz algorymów rozmyych) do realizacji zagadnienia pozycjonowania i nadążania m.r.k. Do osiągnięcia założonych celów wykorzysany zosał minirobo kołowy zbudowany według auorskiej konsrukcji [3,4,5,6,7,8] w ramach projeku 4T07A00830 Pozycjonowanie i nadążanie miniroboa kołowego. W rakcie ej pracy powsał akże sysem wizualizacyjno-serujący, kóry pozwolił na ławe i efekywne serowanie roboem.
98 M. GIERGIEL, P. MAŁKA 2. MECHATRONICZNY PROJEKT I BUDOWA M.R.K W celu przeprowadzenia pełnej analizy omawianych zagadnień oraz przedsawienia ich nie ylko poprzez badania symulacyjne wykonane na modelach maemaycznych, ale również przeprowadzenie badań na układach rzeczywisych zbudowano konsrukcję miniroboa kołowego m.r.k. Jes konsrukcja mecharoniczna, przeznaczona do celów laboraoryjnobadawczych [3,4,5,6]. Analizując własności jezdne oraz auonomiczność programowania, możliwe będzie bliższe poznanie zachowania się mobilnych miniroboów w przesrzeni roboczej, a dzięki zamonowanym sensorom również poznanie zachowania w erenie nieznanym, np. peneracja nieznanych pomieszczeń, lokalizacja uszkodzeń w węzłach wodnościekowych ip. Zbudowany model jes jednym z wielu przykładów konsrukcji miniroboów mobilnych. Założenia przyjęe przy mecharonicznym projekowaniu i konsruowaniu m.r.k były akie, aby powsała konsrukcja była elasyczna oraz modułowa, umożliwiająca szybką zmianę konfiguracji, liczby sensorów oraz dodawania nowych podzespołów wykonawczych. W konsrukcji wykorzysano serownik PLC firmy GE Fanuc serii UAL004. Dodakowo do serowania zasosowano sysem wizualizacji odwzorowujący wszyskie paramery ruchu w rybie on-line oraz zachowania się miniroboa w nieznanej przesrzeni roboczej. Do wizualizacji wykorzysano program ypu SCADA - InTouch firmy Wonderware z dodakowymi modułami komunikacji. Sysem serowania wykorzysuje jednoskę cenralną firmy GE Fanuc, naomias komunikacja odbywa się poprzez sieć bezprzewodową radiomodemy firmy SATEL. 2.1. Konsrukcja oraz przeznaczenie m.r.k M.r.k przeznaczony jes przede wszyskim do celów badawczych i dydakycznych. Do jego budowy wykorzysano elemeny pozwalające zapewnić uniwersalność modelu, jak również dające możliwości rozbudowy i zmiany konfiguracji. Minirobo kołowy wzorowany był na isniejących rozwiązaniach roboów, co przedsawia rys. 1 a) c) b) Rys 1. Minirobo mobilny m.r.k. a) mobilny robo PIONIEER 2DX, b) mobilny robo PATROLBOT, c) mobilny minirobo m.r.k. 2.2. Budowa, układy serujące oraz zasada działania Minirobo kołowy zbudowany jes z rzech zależnych od siebie elemenów, akich jak część mechaniczna (3 koła modelarskie oraz korpus z worzywa szucznego), serująca (serownik PLC firmy GE Fanuc UAL004 [3,5,6,10], dwa silniki prądu sałego 12V firmy MAXON A- max 16 z zabudowanym enkoderem o rozdzielczości 500 imp/obr) oraz sensoryczna (podczerwienny czujnik odległości firmy WENGLOR SENSORIC UF55MG3, kamera wraz z bezprzewodowym nadajnikiem i odbiornikiem wizji i fonii AV-Video Receiver, ulradźwiękowe czujniki zbliżeniowe, 4 czujniki zderzakowe). Wszyskie wykorzysane moduły m.r.k przesawione zosały na rys. 2.
POZYCJONOWANIE I NADĄŻANIE MINIROBOTA MOBILNEGO M.R.K 99 Ulradźwiękowy czujnik zbliżeniowy Podczerwienny czujnik odległości firmy WENGLOR SENSORIC UF55MG3 Radiomodem SATEL 1870 Silniki MAXON z zabudowanym enkoderem 500 imp/obr kamera wraz z bezprzewodowym nadajnikiem i odbiornikiem wizji i fonii AV-Video Receiver Rys 2. Sensory wykorzysane do budowy m.r.k Jednym z ważniejszych elemenów zasosowanych do budowy roboa oraz sysemu serującego jes plaforma pośrednicząca w procesie komunikacji. W ym wypadku do realizacji bezprzewodowego sysemu zasosowano radiomodemy programowalne SATELLINE-1870 firmy SATEL. Radiomodemy e przeznaczone są do ransmisji danych w rybie half-duplex (przesyłanie danych z szybkim przełączaniem kierunku). Dodakowo są w pełni przezroczyse dla sosowanego prookołu ransmisji, dzięki czemu można je zasosować do połączenia wszelkich urządzeń komunikujących się za pośrednicwem łączy szeregowych akich jak zasosowany serownik oraz sysem wizualizacji. Sposób połączenia m.r.k z wykorzysaniem radiomodemów przedsawia rys. 3. Rys 3. Schema połączenia roboa z PC za pośrednicwem radiomodemów 2.3. Zasięg oraz możliwości jezdne miniroboa Robo kołowy jes urządzeniem laboraoryjnym. Jednym z zadań badawczych z nim związanych były prace prowadzone nad maksymalizacją zasięgu jezdnego. Akualnie jedynym ograniczeniem jes zasięg radiomodemu oraz sysemu do ransmisji audiowizualnej (do 100 merów - obszar owary, 30 merów obszar zamknięy) [3,5,10]. Zamiarem konsrukorów jes zasosowanie sysemów GPS, UMTS pozwalających na znaczne zwiększenie możliwości nawigacji, lokalizacji i serowania ego ypu urządzeniami. Zasosowane napędy (silniki firmy MAXON) umożliwiają podjazd na wzniesienie o kącie nachylenia do 40. Rys. 4. Przesrzeń robocza m.r.k
100 M. GIERGIEL, P. MAŁKA Na rys. 4 zilusrowano zakres ruchu (przesrzeń robocza) podczas jazdy po łuku w pełnym zakresie, zn. z uwzględnieniem kąa nachylenia zjazdu i podjazdu na wzniesienie. 3. WERYFIKACJA METODY POZYCJONOWANIA WZGLĘDNEGO Z WYKORZYSTANIEM M.R.K Meoda pozycjonowania wykorzysująca przyrosy przemieszczenia i prędkości (odomeria) zosała przeanalizowana z wykorzysaniem miniroboa kołowego. Obliczenia wykonano, wykorzysując dane uzyskane w procesie weryfikacji m.r.k. Wykonana do celów weryfikacji meody odomerii symulacja numeryczna polegała na zarejesrowaniu danych pomiarowych z przeworników impulsowo-kodowych zabudowanych w silnikach napędzających pojazd. W ym celu sworzono algorym pozwalający na rejesrację akiego przejazdu w pamięci mikrokonrolera, aby uzyskać największą rozdzielczość sygnału pomiarowego, a co za ym idzie - dokładność [1,2,3,7]. Głównym paramerem badanym dla pozycjonowania meodą odomerii był błąd, jaki powsaje w sosunku do założonej rajekorii oraz problem narasania ego błędu. Symulacje miały również prowadzić do minimalizacji ego błędu między innymi poprzez wykorzysanie meody szucznej ineligencji. Wyniki weryfikacji dla różnych rodzajów rajekorii przedsawiono na poniższych rysunkach. Przemieszczenie m.r.k po orze prosoliniowym & β Rys. 5. Przebiegi czasowe: przemieszczenie oraz prędkości i β m.r.k w ruchu po orze prosoliniowym Rys. 6. Trajekorie ruchu m.r.k orzymane w procesie weryfikacji meod pozycjonowania
POZYCJONOWANIE I NADĄŻANIE MINIROBOTA MOBILNEGO M.R.K 101 Przemieszczenie m.r.k po orze łukowym β Rys. 7. Przebiegi czasowe: przemieszczenia i β m.r.k w ruchu po orze łukowym & β & Rys. 8. Przebiegi czasowe: prędkości i β Rys. 9. Trajekorie ruchu m.r.k orzymane w procesie weryfikacji meod pozycjonowania Przemieszczenie m.r.k po orze kwadrau β Rys. 10. Przebiegi czasowe: przemieszczenia i β m.r.k w ruchu po orze kwadrau & β & Rys. 11. Przebiegi czasowe: prędkości i β Rys. 12. Trajekorie ruchu m.r.k orzymane w procesie weryfikacji meod pozycjonowania
102 M. GIERGIEL, P. MAŁKA Rysunki 5-12 przedsawiają paramery ruchu uzyskane w procesie weryfikacji meod pozycjonowania miniroboa mobilnego. Przeprowadzone esy doyczą rzech rajekorii, zn. jazda m.r.k po orze prosoliniowym, krzywoliniowym (łukowym) oraz po orze kwadraowym. Trajekorie ruchu zosały ak dobrane, by w miarę możliwości jezdnych m.r.k powierdzono, iż przyjęa meoda jes poprawna. Na rys. 6, 9 i 12 przedsawiono porównanie rajekorii zadanej (wzorcowej) w sosunku do rzeczywisej, po jakiej poruszał się pojazd. Wynika z nich, że odwzorowanie przebiega prawidłowo, a błędy w sosunku do wzorca nie przekraczają warości 5%. 4. STEROWANIE ADAPTACYJNE ON-LINE M.R.K Z WYKORZYSTANIEM METOD SZTUCZNEJ INTELIGENCJI Kolejnym eapem weryfikacji układu serowania m.r.k. było zasosowanie meod szucznej ineligencji, j. sieci neuronowych oraz algorymów rozmyych do serowania adapacyjnego [1,3,8,9]. Rys. 13 przedsawia klasyczny model serowania adapacyjnego z modelem odniesienia kóry posłużył do budowy układ serowania miniroboa mobilnego. Rys. 13. Adapacyjny układ serowania z modelem odniesienia z zasosowaną szuczną ineligencją AI W przypadku weryfikacji on-line serowania adapacyjnego miniroboa kołowego przyjęo odpowiednie rajekorie wzorcowe. Głównym kryerium klasyfikacji poprawności układu było prawidłowe odwzorowanie zadanej rajekorii oraz czas reakcji nadążnego układu serowania. Orzymane wyniki badań przedsawiono na rys. 14-18. ruch po rajekorii krzywoliniowej (jazda po łuku) Rys. 14. Przebieg czasowy momenów napędowych w ruchu m.r.k po rajekorii krzywoliniowej (jazda po łuku)
POZYCJONOWANIE I NADĄŻANIE MINIROBOTA MOBILNEGO M.R.K 103 Rys. 15. Przebiegi czasowe rzeczywisej prędkości kąowej β & oraz prędkości kąowej & w ruchu m.r.k po rajekorii krzywoliniowej Rys. 16. Przebiegi czasowe rzeczywisej prędkości kąowej β & w ruchu m.r.k po rajekorii krzywoliniowej Rys. 17. Przebieg błędu odwzorowania przemieszczenia kąowego oraz prędkości kąowej & w ruchu m.r.k po rajekorii krzywoliniowej Rys. 18. Trajekoria m.r.k układu serowania adapacyjnego Charakerysyki przedsawione na rys. 14-18 pokazują, że zasosowany układ serowania spełnił założone kryeria. Błędy powsałe w rakcie weryfikacji on-line mieszczą się w zakładanym przedziale. Serowanie m.r.k przy wykorzysaniu meod szucznej ineligencji znacznie przyspieszyło proces samego projekowania, a sam układ serowania szybciej i poprawniej reagował na zmiany zachodzące w rakcie ruchu. 5. PODSUMOWANIE Przeprowadzone rozważania analiyczne oraz wyniki eksperymenów numerycznych świadczą o poprawności proponowanych rozwiązań. Weryfikacja sysemu pozycjonowania m.r.k powierdziła, że zasosowane sensory oraz układ prawidłowo reagowały ak, aby zminimalizować błąd odwzorowania zdanej rajekorii. W przypadku serowania
104 M. GIERGIEL, P. MAŁKA adapacyjnego przeprowadzone esy numeryczne powierdziły poprawność wybranej meody. Zasosowanie algorymów rozmyych oraz sieci neuronowych do serowania adapacyjnego znacznie przyspieszyły i uprościły en proces. Synergia sensorów określających przemieszczenie, pozycję i kierunek umożliwia dokładne i efekywne serowanie roboów mobilnych. LITERATURA 1. Giergiel M., Hendzel Z, Żylski W.: Modelowanie i serowanie mobilnych roboów kołowych. Warszawa : Wyd. Nauk. PWN, 2002. 2. Dulęba I.: Meody i algorymy planowania ruchu roboów mobilnych i manipulacyjnych. Warszawa : Akad. Oficyna Wyd. EXIT, 2001. 3. Małka P.: Pozycjonowanie i nadążanie miniroboa kołowego. Praca dokorska 2008. 4. Giergiel J., Giergiel M., Małka P.: Idenificaion m.r.k. Mechanics and Mechanical Engineering. Łódź 2006. 5. Giergiel M., Małka P.: Algorymy rozmye w serowaniu miniroboa kołowego. Teoria maszyn i mechanizmów 2004, s. 179-186. 6. Rukowska D., Piliński M., Rukowski L.: Sieci neuronowe, algorymy geneyczne i sysemy rozmye. Warszawa : PWN, 1999. 7. Giergiel M., Małka P.: Wybrane zagadnienia pozycjonowania kołowego miniroboa mobilnego. Pomiary, auomayka, konrola 2005, nr 5, s. 28-30. 8. Giergiel M., Małka P.: Zasosowanie sysemów SCADA oraz bazy danych w serowaniu miniroboa kłowego. Zeszyy Naukowe Pol. Rzesz. 2005, Mechanika, z.65, s. 125-132. 9. Giergiel M., Małka P.: Mecharoniczne projekowanie mobilnego miniroboa kołowego : projekowanie mecharoniczne zagadnienia wybrane. Kraków 2005, s. 76-84. 10. Giergiel J., Giergiel M., Małka P.: Mecharonics of wheel minirobo m.r.k, Mechanics and Mechanical Engineering Łódz 2006. POSITIONING AND FOLLOW-UP OF MOBILE MINIROBOT Summary. This aricle presens resuls of some researches relaed o posiioning and raffic follow-up of wheeled mobile minirobos m.r.k and i s experimenal verificaion. A manner of he posiioning of he minirobo was presened wih usage of analyical mehods as well as mehods of he arificial inelligence. In addiion verificaion of follow-up wih on-line mehods was made. The resul carried ou of he sudy was o develop he opimal mehod of conrol in real-ime (on-line) of minirobo m.r.k in he unknown working space as well as analysis of parameers of he move wih usage of he arificial inelligence mehods. As par of he research sysem visualized-conrol used for seering and posiioning of he minirobo was also conduced. Consan analysis and verificaion of he pah of he ride of he vehicle enabled precise and accurae achieving se rajecories and purposes.