ZÁKLADY ROBOTIKY Úvod do mobilní ky Ing. Josef Černohorský, Ph.D. TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR
Úvod do mobilní ky Základní otázky pro tento blok? Rozdíl mezi autonomním a dálkově ovládaným robotem? Možné typy? Manévrovatelnost jednotlivých typů? Výhody a nevýhody? navigací, navádění v prostoru? Mapovaní a výpočet trajektorie?
Úvod do mobilní ky
Úvod do mobilní ky Typická prostředí
Úvod do mobilní ky Demonstrace obtížnosti mobilní ky AMR Autonomní mobilní robot 2004 závod AMR z Los Angeles do Las Vegas (142 mil za 10 hodin o 1 000 000 USD Původně 106 týmů, nakonec 24 startujících Nejlepší ujel 7,4 míle
Úvod do mobilní ky Historie mobilní ky 1868 Derrick Zadock patent na SteamMan Schopen překonat nerovnosti ±9 Cena 2000$, garantován roční bezúdržbový provoz za 300$ Plán na sestrojení robokoně s 12HP http://www.davidbuckley.net/db/historymakers/1868dedericksteamman_files/1868-dedericksteamman600.jpg
Úvod do mobilní ky Historie mobilní ky http://www.davidbuckley.net/db/historymakers/1868dedericksteamman_files/patents.png
Úvod do mobilní ky Historie mobilní ky 1911 Occultus přezdívaný Barbarosa vystavený v Berlíně, konstruktér Whitman Pouze výstavní účely http://www.davidbuckley.net/db/historymakers/pseudo+'art'robots/barbarossap1.jpg
Úvod do mobilní ky Historie mobilní ky 1893 Patent na mechanického koně 1960 GE Quadruped 1980 Průmyslové nasazení AGV (Automated guided vehicles) http://cdn-www.cracked.com/articleimages/randall/militaryvehicles/mvquad2.jpg
Úvod do mobilní ky Historie mobilní ky 1900++ Sony Aibo 9W spotřeba v autonomním módu, 1,65 kg 20 stupňů volnosti http://www.avland.co.uk/sony/ers7/ers7.jpg
Úvod do mobilní ky Historie mobilní ky http://click.linksynergy.com/fs-bin/click?id=pfx43n2vkzg&offerid=14941.10000096&type=2&subid=0
Úvod do mobilní ky Honda Asimo http://world.honda.com/asimo/history/image/top/title.jpg
Úvod do mobilní ky Různý počet aktivních (hnacích; řídicích) a pasivních Vliv na manévrovatelnost, stabilitu Vliv na složitost výpočtu trajektorie a metody finálního přiblížení
Úvod do mobilní ky Diferenciální podvozek 2 kola hnací 1-2 kola pasivní, stabilizační, excentricky uložená (nebo třecí plošky, ne kola) http://www.mrrobot.com/images/tjpro2.jpg
Úvod do mobilní ky Diferenciální podvozek Lehký, levný, indoor Jednoduchá a relativně přesná odometrie (s integrační chybou) Dobrá manévrovatelnost Obvykle kruhová základna
Úvod do mobilní ky Trojkolový podvozek s všesměrovými koly 3 aktivní kola s dvěma stupni volnosti Kola složená se segmentů (všesměrová kola) Zelený vektor hnací Oranžový vektor odvalování Nejobtížnější přímý směr http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2f/robot_omnidirectional_movement_speedvectors.png
Úvod do mobilní ky Trojkulový podvozek http://www.prm.ucl.ac.be/recherche/projets/rollmobs/rollmobs1.jpg http://www.prm.ucl.ac.be/recherche/projets/rollmobs/rollmobs2.jpg
Úvod do mobilní ky Podvozek s všesměrovými esměrovými koly Tři motory Řízení rychlosti a směru je spřažené Odometrie prakticky nepoužitelná Indoor použití (překážky velikostí poloviny průměru segmentu jsou problém) Pohyb libovolným směrem, bez předchozího otočení platformy
Úvod do mobilní ky Čtyřkolový automobilní podvozek Okamžité středy otáčení a) Automobilový podvozek b) 3 řiditelná kola, také Akermanova podmínka Smutný V., IRO-2008-Lecture-03.pdf, CVUT 2008
Úvod do mobilní ky Automobilový podvozek Nezávisle řízená přední kola Hnaná zadní kola Obvykle u větších robotů s vyšší nosností Obvykle outdoor použití Nelze se otáčet na místě
Úvod do mobilní ky Synchronní podvozek Kola 2 stupně volnosti Všechna kola stejnou orientaci a rychlost Každé kolo 2 pohony Nebo svázané mechanicky (složitější konstrukce), teoreticky jen dva pohony na libovolný počet kol
Úvod do mobilní ky Synchronní podvozek Nezávislé řízení rychlosti a směru Velmi dobrá manévrovatelnost Indoor
Úvod do mobilní ky Čtyřkolový tyřkolový synchronní podvozek 4 řízená Alespoň 2 hnací Vysoce stabilní Konstrukčně složité http://www.mathworks.com/company/newsletters/digest/2005/sept/images/mb_movement_wl.gif
Úvod do mobilní ky Tříkolka Není možná rotace na místě Možnost uváznutí v rozích a úzkých prostorách Snadná a levná konstrukce Nezávisle řízená rychlost a směr Snadná odometrie
Úvod do mobilní ky outdoorové http://csatweb.csatolna.hu/tagok/csa/mars/rover.jpg
Úvod do mobilní ky outdoorové http://www.globalsecurity.org/military/systems/ground/images/talon-01.jpg
Úvod do mobilní ky outdoorové Prokluz pásů při otáčení Vyšší energetická náročnost jak při zatáčení, tak při jízdě Použití i v těžkém terénu
Úvod do mobilní ky outdoorové Náhrada pásu dvěma koly blízko sebe Stejné otáčky diferenční řízení Lepší energetické parametry při jízdě v před Smýkánípři zatáčení, vyšší náročnost http://www.uamt.feec.vutbr.cz/cs/utar/gallery/gears_1.jpg
Úvod do mobilní ky https://ai.ia.agh.edu.pl/wiki/_media/hexor.png?w=&h=&cache=cache
Úvod do mobilní ky Cílem je větší průchodnost terénem než u např. pásových Počet stupňů volnosti končetiny Statická stabilita, průmět těžiště uvnitř podstavy končetin v kontaktu s terénem Dynamická stabilita sprinter, lyžař, těžiště mimo chodidla
Úvod do mobilní ky Počet nohou vs. nutnost přesunu těžiště Méně nohou více stupňů volnosti (2 nohy, 5 a více stupňů volnosti, 6 nohou 2-3 stupně volnosti)
Úvod do mobilní ky Plazící se robot http://www.techfresh.net/wp-content/uploads/2008/03/modular-snake-robot.jpg
Úvod do mobilní ky Určení mobilního robota Integrace přírustků k počáteční poloze Odometrie měření otáčení kol Doplerův princip měření relativní rychlost Inerciaální sensory akcelerometry Gyroskopy a elektronické kompasy Triangulace měření úhlů k orientačním bodům Měření vzdálenosti vůči orientačním bodům
Úvod do mobilní ky Odometrie Měření otáčení kol a směru pohybu Prokluz Deformace poloměru při zatížení Stranové úchylky pneumatik při zatáčení Chyby vzorkování Murphyho pravidlo chyby a tolerance se vždy sčítají nejhorším možným způsobem
Úvod do mobilní ky Sledování vodící čáry Optický princip Čára libovolně dlouhá, krátké poruchy nevadí, citlivé na čistotu Magnetický princip Magnetická páska, snímán halovou sondou, krátké poruchy nevadí, necitlivé na čistotu (špony a piliny) Indukční smyčka Vodič procházený proudem, lze aktivně řídit křižovatky
Úvod do mobilní ky Inerciální navigace Měření podélných a příčných zrychlení Dvojitá integrace Akcelerometry na MEMS principech Určení je problematické, v delším časovém horizontu s velkou chybou Elektronické kompasy magnetické pole Země slabé, lokálně ovlivněno silovými vodiči a jiným elektromagnetickým smogem
Úvod do mobilní ky Odhad z měření vzdálenosti Odměření vzdálenosti od známých orientačních bodů majáky 2D 2 majáky 2 řešení 3D 2 majáky kružnice 3 majáky 2 řešení
Úvod do mobilní ky Odhad z měřeníěřen úhlů Měření úhlů mezi majáky
Úvod do mobilní ky Bezkontaktní měřeníěřen vzdálenosti Ultrazvukové měření Počítání času do přijetí odrazu ultrazvukové vlny (travel time) Senzory založené na Dopplerově principu Statické vysílače, pohybující se příjímač (nebo opačně) Mikrovlnné radary 2 předchozí principy FMCW princip
Úvod do mobilní ky Bezkontaktní měřeníěřen vzdálenosti Laserové radary a skenery Stejné principy, jiná vlnová délka Změna intenzity nebo rozložení prostorového nebo spektrálního
Úvod do mobilní ky Bezkontaktní měřeníěřen vzdálenosti Materiály musí mít dobrou odrazivost Eliminovat rušení pomocí atypických frekvencí a tvarů signálu Kombinace více principů Vyhodnocení překážek pouze v určitém intervalu
Úvod do mobilní ky Bezkontaktní měřeníěřen vzdálenosti Materiály musí mít dobrou odrazivost Eliminovat rušení pomocí atypických frekvencí a tvarů signálu Kombinace více principů Vyhodnocení překážek pouze v určitém intervalu Problematické vyhodnocení pohybujících se překážek FMCW a složitějším zpracováním se dá zlepšit přesnost
Úvod do mobilní ky GPS systém Indoor přijímače výrazně citlivější a dražší NAVSTAR (Navigation Signal Timing and Ranging 6 drah, původně 24 družic pravidelně, nyní 32 nepravidelně, oběh za 11h 58 min, výška 20200m Výpočet z časových značek a známé družic proveden výpočet Chybu měření ovlivňuje rozmístění viditelných družic (nad polokoulí) u nás min. 6 obvykle 8 max. 12 družic
Úvod do mobilní ky GPS systém Tři segmenty Satelitní L1 frekvence 1575,42MHz@20-50W satelity unikátní kód a poloha satelitů je známá, tak lze časového posunu od satelitu k přijímači určit polohu Kontrolní 5 pozemních stanic o známé poloze, model ionosféry, korekce časových značek apod. Uživatelský přijímač (12 satelitů maximálně viditelných, více než 12 kanálů nemá smysl)
Úvod do mobilní ky GPS systém http://www.kosmo.cz/data/1025/gps.jpg
Úvod do mobilní ky Poděkování Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.