Zagadnienia porz dkowe Wprowadzenie do robotyki mobilnej Modelowanie robotów koªowych. Robotyka mobilna. Wykªad 1.



Podobne dokumenty
Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

Temat 1. Wprowadzenie do nawigacji robotów mobilnych. Dariusz Pazderski Opracowanie w ramach programu ERA Inżyniera

Modele wielorównaniowe. Problem identykacji

det A := a 11, ( 1) 1+j a 1j det A 1j, a 11 a 12 a 21 a 22 Wn. 1 (Wyznacznik macierzy stopnia 2:). = a 11a 22 a 33 +a 12 a 23 a 31 +a 13 a 21 a 32

Matematyka wykªad 1. Macierze (1) Andrzej Torój. 17 wrze±nia Wy»sza Szkoªa Zarz dzania i Prawa im. H. Chodkowskiej

Opis matematyczny ukªadów liniowych

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Wykªad 10. Spis tre±ci. 1 Niesko«czona studnia potencjaªu. Fizyka 2 (Informatyka - EEIiA 2006/07) c Mariusz Krasi«ski 2007

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

wiczenie nr 3 z przedmiotu Metody prognozowania kwiecie«2015 r. Metodyka bada«do±wiadczalnych dr hab. in». Sebastian Skoczypiec Cel wiczenia Zaªo»enia

Rozwi zanie równania ró»niczkowego metod operatorow (zastosowanie transformaty Laplace'a).

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Optyka geometryczna. Soczewki. Marcin S. Ma kowicz. rok szk. 2009/2010. Zespóª Szkóª Ponadgimnazjalnych Nr 2 w Brzesku

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

1 Trochoidalny selektor elektronów

CAŠKOWANIE METODAMI MONTE CARLO Janusz Adamowski

Rys.2 N = H (N cos = N) : (1) H y = q x2. y = q x2 2 H : (3) Warto± siªy H, która mo»e by uto»samiana z siª naci gu kabla, jest równa: z (3) przy

Makroekonomia Zaawansowana

x y x y x y x + y x y

Ukªady równa«liniowych

Informacje pomocnicze

2. L(a u) = al( u) dla dowolnych u U i a R. Uwaga 1. Warunki 1., 2. mo»na zast pi jednym warunkiem: L(a u + b v) = al( u) + bl( v)

Modele liniowe i mieszane na przykªadzie analizy danych biologicznych - Wykªad 1

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

Równania ró»niczkowe I rz du (RRIR) Twierdzenie Picarda. Anna D browska. WFTiMS. 23 marca 2010

Algorytmy zwiazane z gramatykami bezkontekstowymi

Ksztaªt orbity planety: I prawo Keplera

Wektory w przestrzeni

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

Rachunek ró»niczkowy funkcji jednej zmiennej

Zastosowania matematyki

1 Ró»niczka drugiego rz du i ekstrema

WYKŠAD 3. di dt. Ġ = d (r v) = r P. (1.53) dt. (1.55) Przyrównuj c stronami (1.54) i (1.55) otrzymujemy wektorowe równanie

Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

1 Metody iteracyjne rozwi zywania równania f(x)=0

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Zastosowanie eliptycznych równa«ró»niczkowych

Ekonometria - wykªad 1

(c) KSIS Politechnika Poznanska

Zadania z z matematyki dla studentów gospodarki przestrzennej UŠ. Marek Majewski Aktualizacja: 31 pa¹dziernika 2006

MECHANIK NR 3/

Ekonometria. wiczenia 1 Regresja liniowa i MNK. Andrzej Torój. Instytut Ekonometrii Zakªad Ekonometrii Stosowanej

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Kinematyka 2/15. Andrzej Kapanowski ufkapano/ Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagiello«ski, Kraków. A. Kapanowski Kinematyka

Teoria Sterowania. Warunki zaliczenia

PRAWA ZACHOWANIA. Podstawowe terminy. Cia a tworz ce uk ad mechaniczny oddzia ywuj mi dzy sob i z cia ami nie nale cymi do uk adu za pomoc

Spis tre±ci. Plan. 1 Pochodna cz stkowa. 1.1 Denicja Przykªady Wªasno±ci Pochodne wy»szych rz dów... 3

Wykªad 12. Transformata Laplace'a i metoda operatorowa

Matematyka dyskretna dla informatyków

X WARMI SKO-MAZURSKIE ZAWODY MATEMATYCZNE 18 maja 2012 (szkoªy ponadgimnazjalne)

Statystyka matematyczna

Android. Podstawy tworzenia aplikacji. Piotr Fulma«ski. March 4, 2015

Fizyka dla Informatyków Wykªad 10 Elektrodynamika

Graka komputerowa Wykªad 3 Geometria pªaszczyzny

Tadeusz SZKODNY. POLITECHNIKA ŚLĄSKA ZESZYTY NAUKOWE Nr 1647 MODELOWANIE I SYMULACJA RUCHU MANIPULATORÓW ROBOTÓW PRZEMYSŁOWYCH

Przeksztaªcenia liniowe

Ekstremalnie fajne równania

Bifurkacje. Ewa Gudowska-Nowak Nowak. Plus ratio quam vis

PRZYPOMNIENIE Ka»d przestrze«wektorow V, o wymiarze dim V = n < nad ciaªem F mo»na jednoznacznie odwzorowa na przestrze«f n n-ek uporz dkowanych:

Wstęp do robotyki. Plan wykładów. Wojciech Szynkiewicz. Plan wykładu... Plan wykładu... Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej PW

Pewne algorytmy algebry liniowej Andrzej Strojnowski

Mikro II: Krzywe kosztów, Poda» rmy i Poda» gaª zi.

Macierz A: macierz problemów liniowych (IIII); Macierz rozszerzona problemów liniowych (IIII): a 11 a 1m b 1 B = a n1 a nm b n

r = x x2 2 + x2 3.

Rzut oka na zagadnienia zwi zane z projektowaniem list rozkazów

Macierze i Wyznaczniki

Modele wielorównaniowe. Estymacja parametrów

XVII Warmi«sko-Mazurskie Zawody Matematyczne

ZADANIA. Maciej Zakarczemny

Instytut Politechniczny Zakład Elektrotechniki i Elektroniki

1 0 Je»eli wybierzemy baz A = ((1, 1), (2, 1)) to M(f) A A =. 0 2 Daje to znacznie lepszy opis endomorzmu f.

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Koncepcje lokomocji w przyrodzie

Stacjonarne szeregi czasowe

ELEMENTARNA TEORIA LICZB. 1. Podzielno±

Analiza obserwowalno±ci

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

Legalna ±ci ga z RRI 2015/2016

Kinematyka robotów mobilnych

Rachunek caªkowy funkcji wielu zmiennych

Szkice rozwi za«zada«z egzaminu 1

Statystyka matematyczna - ZSTA LMO

1 Przypomnienie wiadomo±ci ze szkoªy ±redniej. Rozwi zywanie prostych równa«i nierówno±ci

Programowanie obrabiarek CNC. Nr H8

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

POLITECHNIKA WROCŠAWSKA WYDZIAŠ ELEKTRONIKI PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

KARTA OPISU MODUŁU KSZTAŁCENIA

Krzywe i powierzchnie stopnia drugiego

D l. D p. Rodzaje baz jezdnych robotów mobilnych

dynamiki mobilnego robota transportowego.

Zagadnienia na wej±ciówki z matematyki Technologia Chemiczna

Macierze i Wyznaczniki

Regulator impedancyjny dla elektrycznego zespołu napędowego robota

Elementy animacji sterowanie manipulatorem

Interpolacja funkcjami sklejanymi

Rozdziaª 13. Przykªadowe projekty zaliczeniowe

PL B1. Mechanizm pedipulatora do ustawiania pozycji modułu napędowego, zwłaszcza robota mobilnego

1 a + b 1 = 1 a + 1 b 1. (a + b 1)(a + b ab) = ab, (a + b)(a + b ab 1) = 0, (a + b)[a(1 b) + (b 1)] = 0,

WICZENIE 2 Badanie podstawowych elementów pasywnych

Modele liniowe i mieszane na przykªadzie analizy danych biologicznych - Wykªad 6

Transkrypt:

Robotyka mobilna Wykªad 1 1 1 Katedra Sterowania i In»ynierii Systemów, Politechnika Pozna«ska 2 pa¹dziernika 2011

Prowadz cy wykªad: p. 419 EL, tel. 665-2199, e-mail: dariusz.pazderski@put.poznan.pl Zasady zaliczenia wykªadu: Ocena ko«cowa jest ±redni wa»on oceny egzaminu pisemnego (2/3) i oceny z laboratorium (1/3). Warunkiem podej±cia do egzaminu jest pozytywna ocena z zaj laboratoryjnych. Gªówne zagadnienia poruszane na wykªadzie: Klasykacja i rodzaje robotów mobilnych Opis matematyczny kinematyki i dynamiki nieholonomicznych robotów koªowych Techniki sterowania ruchem nieholonomicznych koªowych robotów Wybrane metody lokalizacji i nawigacji robotów mobilnych Literatura: Tcho«, Mazur, Hossa, Dul ba, Manipulatory i roboty mobilne, Akademia Ocyna Wydawnicza PLJ, 2002. G. Campion, G. Bastin, B. D'Andrea-Novel, Structural Properties and Classication of Kinematic and Dynamic Models of Wheeled Mobile Robots, IEEE TRansactions on Robotics and Automation, Vol. 12, No. 1, February 1996. J. Borenstein (edytor), Where am I - Systems and Methods for Mobile Robot Positioning, 1996. B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, Robotics: Modelling, Planning and Control, Springer 2009. B. Siciliano, O. Khatib (Ed.), Handbook of Robotics, Springer 2009. P. Skrzypczy«ski, Metody analizy i redukcji niepewnosci percepcji w systemie nawigacji robota mobilnego, Rozprawy, nr 407, Wydawnictwo Politechniki Pozna«skiej, Poznan 2007.

Spis tre±ci 1 Zagadnienia porz dkowe 2 3

Robot mobilny jest rodzajem robota, którego podstawow funkcj jest przemieszczanie si wzgl dem otoczenia (lokomocja), a ukªad wykonawczy tego robota jest ukªadem lokomocyjnym. Robot mobilny autonomiczny wykonuje swoje zadanie bez zewn trznego wsparcia ze strony czªowieka. Podstawow wªa±ciwo±ci takiego robota jest zdolno± do samodzielnego tworzenia i wykonywania planów dziaªania na podstawie obserwacji otoczenia. Klasykacja robotów mobilnych: naziemne (ruch pªaski lub w przestrzeni 3D), wodne (ruch pªaski lub w przestrzeni 3D), lataj ce, kosmiczne, itd. Ukªady lokomocyjne robotów naziemnych: koªowe, g sienicowe, krocz ce (skacz ce)

Rysunek: Schemat ukªadu sterowania robota mobilnego (interakcja robot-±rodowisko)

Spis tre±ci 1 Zagadnienia porz dkowe 2 3

Spis tre±ci 1 Zagadnienia porz dkowe 2 3

Robot przemysªowy typu Automated Guided Vehicle (AGV) Rysunek: Systemy transportowe AVG (http://www.ds-automotion.com) naprowadzane za pomoc linii indukcyjnej lub optycznej

Robot transportowy w obiektach u»yteczno±ci publicznej Rysunek: Robot do transportu w szpitalach TUG (http://www.aethon.com)

Zagadnienia porz dkowe Robot do utrzymania czysto±ci pomieszcze«rysunek: Roboty sprz taj ce i myj ce rmy irobot (http://www.irobot.pl)

Robot inspekcyjny Rysunek: Robot do inspekcji kraterów wulkanicznych Robovolc (http://www.robovolc.dees.unict.it) oraz robot policyjny Inspector (http://www.piap.pl)

Robot podwodny typu Remotely Operated Underwater Vehicle (ROV) Rysunek: ROV Tiburon (http://www.mbari.org/dmo/vessels_vehicles/tiburon/tiburon.html) wykorzystywany do badania dna morskiego. Posiada zdolno± do automatycznego utrzymywania zadanej odlegªo±ci od dna.

Robot lataj cy typu Unmanned Areial Vehicle (UAV) ` Rysunek: Bezzaªogowe samoloty Predator (http://www.airforce-technology.com/projects/predator/) - wykorzystywane przez wojsko USA do celów zwiadowczych. Nawigacja oparta o GPS oraz moduªy inercyjne.

Robot do bada«kosmicznych Rysunek: Rover Sojourner (eksploracja Marsa) pracowaª w trybie teleoperacji. Dodatkowo posiadaª sensory, które wspomagaªy unikanie kolizji (http://mars.jpl.nasa.gov/mpf/rover/sojourner.html).

Najnowsze rozwi zania i technologie Ilustracja najnowszych osi gni technicznych na przykªadzie rmy komercyjnej Boston Dynamics: RHex - robot z niekonwencjonaln struktur nap dow Little Dog - niewielki laboratoryjny robot czterono»ny do badania strategii chodu (statycznie stabilnego) RiSE - robot wspinaj cy si Big Dog - zaawansowana konstrukcja studyjna (w zaªo»eniu - wdro»enie) robota czterono»nego... (www.bostondynamics.com)

Spis tre±ci Zagadnienia porz dkowe 1 Zagadnienia porz dkowe 2 3

l Rysunek: Koªo tocz ce si bez po±lizgu na pªaszczy¹nie

Rozwa»ymy opis pªaski kinematyki pojedynczego koªa tocz ce si bez po±lizgu wzdªu»nego i poprzecznego. Zakªadamy,»e orientacja ukªadu wózka wzgl dem ukªadu podstawowego X g Y g wynosi θ, wspóªrz dne punktu A, w którym zamocowane jest koªo s staªe w ukªadzie lokalnym wózka x l y l i wynosz p l A [lcosα lsinα]t. Ukªad lokalny x k y k zwi zany z koªem, którego pocz tek znajduje si w punkcie B (w ±rodku koªa) mo»e zmienia orientacj wzgl dem ukªadu lokalnego wózka o k t γ.

Wspóªrz dne punktu B wyra»one w ukªadzie lokalnym wózka wynosz : natomiast w ukªadzie globalnym: p l B = p l A + R(α + γ)pk B, (1) p B = p + R(θ)p l B. (2) Obliczaj c pr dko± punktu B w ukªadzie globalnym mamy: przy czym ṗp l B = RT (α+γ) (α+γ) koªa otrzymujemy ṗp B = ṗp + R(θ) θ p l B + R(θ)ṗp l B, (3) p k B γ. Wyra»aj c pr dko± punktu B w ukªadzie v B ṗp k B = R T (θ + α + γ)ṗp B. (4)

Poniewa» obroty o k t α, γ oraz θ realizowane s wokóª tej samej osi prostopadªej do pªaszczyzny ruchu, kolejno± rotacji nie ma znaczenia. St d równanie (4) mo»na przedstawi w postaci nast puj cej: v B ṗp k B = R T (α + γ)r T (θ)ṗp B. (5) Po uwzgl dnieniu równania (3) wynikiem operacji R T (θ)ṗp B jest: R T (θ)ṗp B = R T (θ)ṗp J p l B θ + ṗp l B, (6) gdzie J [ 0 1 1 0] so(2) jest macierz sko±nie symetryczn. St d co ostatecznie daje wynik v = R T (α + γ) ( R T (θ)ṗp J p l B θ + ṗp l B), (7) v B = R T (α + γ)r T (θ)ṗp + [ ] lsinγ lcosγ + d [ ] 0 θ + γ. (8) d

v By Uwzgl dniaj c brak po±lizgu wzdªu»nego i poprzecznego mo»emy zapisa [ ] [ ] vbx r ϕ v B = =, (9) 0 gdzie ϕ jest pr dko±ci k tow koªa natomiast r jego promieniem. Uwzgl dniaj c zaªo»enie (9) w równaniu (8) otrzymujemy dwa ograniczenia fazowe: R T (α + γ)r T (θ)ṗp + [ ] lsinγ lcosγ + d [ ] 0 θ + γ d które mo»na przedstawi w postaci liniowych ogranicze«pfaa: [ ] r ϕ = 0, (10) 0 A( q) q = 0, (11) gdzie [ A( q) = lsinγ lcosγ + d R T (α + γ)r T (θ) 0 d r 0 ] (12) jest macierz ogranicze«, natomiast

q jest caªkowit konguracj mechaniczn ukªadu wózka z koªem, zdeniowan jako: q [ q 1 q 2 q 3 q 4 q 5 ] T = [θ X Y γ ϕ] T = [ q T γ ϕ ] T, (13) przy czym q [θ X Y] T S 1 R 2 oznacza konguracj wózka w ruchu pªaskim (opisuje jego orientacj i pozycj ). Alternatywnie, macierz ogranicze«zapiszemy w postaci nast puj cej: [[ A( q) = lsinγ lcosγ + d [ ] gdzie R(θ) = 1 0 0 R(θ) SO(3). ] R T (α + γ) R T (θ) 0 d r 0 ], (14)

Spis tre±ci Zagadnienia porz dkowe 1 Zagadnienia porz dkowe 2 3

B dziemy rozpatrywali trzy rodzaje kóª, w które wyposa»ony jest wózek: koªa typu f z osi ustalon, dla których k t γ = const, koªa typu c zamocowane centralnie, dla których d 0, natomiast konguracj okre±la k t γ, koªa typu oc zamocowanie niecentralnie nastawcze (typu kastor), których konguracj okre±la k t γ. Konguracj wózka, wyposa»onego w n kóª, przy czym n = n f + n c + n oc (indeksy odnosz si do typów kóª) okre±limy nast puj co: q = [ q T γ 1... γ nc γ 1... γ noc ϕ 1... ϕ n ] T S 1 R 2 T n c+n 0c +n. (15) Dla ka»dego z kóª zakªadamy speªnienie ogranicze«(11). W efekcie dla caªego ukªadu istnieje n ogranicze«wynikaj cych z braku po±lizgu wzdªu»nego i n ogranicze«wynikaj cych z braku po±lizgu poprzecznego. Mo»na je przedstawi w postaci Pfaa ĀA( q) q = 0, gdzie ĀA( q) [ J1 (γ c, γ oc ) R(θ) 0 J 2 C 1 (γ c, γ oc ) R(θ) C 2 0 ], (16)

przy czym J 1 (γ c, γ oc ) J 1f J 1c (γ c ), C 1 (γ c, γ oc ) C 1f 0 C 1c (γ c ), C 2 0. J 1oc (γ oc ) C 1oc (γ oc ) C 2oc (γ oc ) (17) Warunek braku po±lizgu poprzecznego mo»emy zapisa nast puj co: C 1 (γ c, γ oc ) R T (θ) q + C 2 γ oc = 0. (18) St d dla kóª ustalonych i zamocowanych centralnie (d 0) mamy: C 1f R T (θ) q = 0, C 1c (γ c ) R T (θ) q = 0 (19) lub [ ] gdzie C C1f 1 (γ c ). C 1c (γ c ) C 1 (γ c ) R T (θ) q = 0, (20)

Warunek braku po±lizgu poprzecznego Na podstawie równania (20) wnioskujemy,»e pr dko± wózka q musi le»e w przestrzeni zerowej macierzy C 1 (γ c ) R T (θ). W konsekwencji robot mo»e porusza si bez po±lizgu je»eli rankc 1 (γ c ) R T (θ) < 3. (21)

Miary kinematyki robotów koªowych Zdeniujmy: stopie«mobilno±ci: δ m dimn {C 1 (γ c )} = 3 rankc 1 (γ c ) stopie«sterowalno±ci: δ s rankc 1c (γ c ) Zrealizowa mo»na 5 ró»nych struktur kinematycznych takich,»e: δ m : 1 δ m 3 δ s : 0 δ m 2 2 δ m + δ s 3 Kinematyk koªowego robota mobilnego poruszaj cego si na pªaszczy¹nie bez po±lizgu b dziemy charakteryzowali nast puj co: (δ m,δ s ).

Spis tre±ci Zagadnienia porz dkowe 1 Zagadnienia porz dkowe 2 3

Z uwagi na ograniczenia fazowe wiadomo,»e pr dko±ci uogólnione q le» w przestrzeni zerowej macierzy ĀA( q). Z tego wynika,»e mo»na znale¹ macierz G( q) oraz wektor u taki,»e q = G( q)u, (22) gdzie dim u = dim q rankāa( q) = m. Równanie (22) okre±la ukªad bezdryfowy, który nazwiemy caªkowit kinematyk robota mobilnego. Okre±laj c pr dko±ci samego wózka mo»emy rozwa»a posta zredukowan równania kinematyki : q = G (q, γ c )u. (23)

Spis tre±ci Zagadnienia porz dkowe 1 Zagadnienia porz dkowe 2 3

Dynamik robota mobilnego uwzgl dniaj c ograniczenia fazowe mo»na przedstawi w postaci nast puj cej: M ( q) q + C ( q, q) q + g( q) = B( q) τ +A T ( q) λ, (24) } {{ } Q A gdzie M ( q) okre±la macierz inercji, C ( q, q ) jest macierz opisuj c siªy od±rodkowe i Coriolisa, g( q) opisuje siªy grawitacji, B( q) jest macierz wej±cia, τ R m okre±la siªy (momenty) wej±ciowe, λ R n m jest wektorem mno»ników Lagrange'a. Skªadnik A T ( q) λ opisuje siªy ogranicze«fazowych.

Równanie (24) zawiera jawn posta siª ogranicze«fazowych. Wykorzystuj c równanie kinematyki (22) dynamik ukªadu z ograniczeniami fazowymi (w tym niecaªkowalnymi czyli nieholonomicznymi) mo»na przedstawi w postaci zredukowanej: M ( q) u + C ( q, u) u + ḡg( q) = B( q) τ, gdzie M ( q) = G T ( q) M ( q) G( q), C ( q, u) = G T ( q)c ( q, q ) G( q) + G T ( q) M ( q) dt d G( q), ḡg( q) = G T ( q) g( q) oraz B( q) = G T ( q) B( q). Siªy ogranicze«mo»na okre±li na podstawie zale»no±ci nast puj cej: λ = ( A( q) M 1 ( q) A T ( q) ) ( 1 d +A( q) M 1 ( q) dt A( q) q + (25) ( C ( q, q) )) q + g( q) B( q) τ. (26)

Spis tre±ci Zagadnienia porz dkowe 1 Zagadnienia porz dkowe 2 3

Robot dwukoªowy klasy (2,0) A1 1 1 2 A2 2 Rysunek: Struktura robota z nap dem ró»nicowym

Robot typu samochód klasy (1,1) A1 1 1 3 2 A3 A2 2 Rysunek: Struktura robota z nap dem samochodowym