Autonom und automatisiert fahrende Fahrzeuge werden in zunehmendem Umfang im Straßenverkehr eingesetzt. Überwachung und Eingriff in den laufenden Betrieb dürfen aufgrund eines Bundestagsbeschlusses von 2021 auch von einer externen Stelle aus durchgeführt werden. Dazu ist eine Einrichtung notwendig, welche die Fernsteuerung, das Auslesen der Sensordaten und die Überwachung von Umgebung und Betriebszustand des Fahrzeuges ermöglicht. Das Ziel der Arbeit ist die Implementierung einer solchen Fernüberwachungseinheit mit Anbindung an das Robot Operating System (ROS). Es erfolgt ein Überblick über das Robot Operating System und den verwendeten Roboter RR100. Nach einer Anforderungsanalyse über die notwendigen Komponenten erfolgt die Umsetzung und Erläuterung des Interfaces auf dem Roboter. Die Testszenarien zeigen, dass sich das entwickelte Interface gut zur lokalen Überwachung des Roboters eignet. Für eine Fernüberwachung sind jedoch noch weitere Anpassungen notwendig, um die Sicherheit gewährleisten zu können.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Gliederung
1.1 Einleitung
1.2 Gliederung
2. Grundlagen und Vorbetrachtungen
2.1 SAE-Level und Entwicklung des autonomen Fahrens
2.2 Sensorsysteme für autonome Fahrzeuge
2.2.1 LiDAR-Sensoren
2.2.2 Globale Navigationssatellitensysteme
2.2.3 Kamera
2.2.4 Radar
2.2.5 Ultraschall-Sensoren
2.3 Grundprinzipien autonomer Navigation
2.3.1 Kartografierung
2.3.2 Lokalisierung
2.3.3 Pfadplanung
3. Autonomer Roboter RR100
3.1 RR100
3.1.1 Allgemeines
3.1.2 Kommunikation und Sensoren
3.1.3 Software
3.2 ROS
3.2.1 Entstehung und Geschichte
3.2.2 Vorzüge von ROS
3.2.3 Architektur und Konzepte
4. Konzepterstellung
4.1 Statusinformationen und Sensordaten des Roboters
4.1.1 Rückgabewerte der Motor-Controller
4.1.2 Coulombmeter
4.1.3 Stereokamera
4.1.4 LiDAR
4.1.5 Inertialsensorik (IMU)
4.1.6 GPS
4.1.7 Odometrie
4.1.8 Aktorik-Ansteuerung
4.2 Anforderungsanalyse
4.2.1 Essentielle Elemente
4.2.2 Auswahl der Plattform
4.3 Anbindung von ROS an einen Web-Browser
4.3.1 Struktureller Interface-Aufbau
4.3.2 ROS und JavaScript
4.3.3 WebSocket-Kommunikation
4.4 Mockup/Layoutentwurf (Anordnung der Elemente und Betriebsmodi)
4.5 Bedienelemente und Packages
4.5.1 Connect/Disconnect
4.5.2 Battery und Status
4.5.3 Map und Camera
4.5.4 Fernsteuerung
4.5.5 Set Goals
4.5.6 GPS Map
4.5.7 Sensordaten
4.6 Einrichtung des RR100 und der Workspace-Packages
4.6.1 ROS als verteiltes System
4.6.2 Verschlüsselte Verbindung
4.6.3 Workspace des RR100
5. Finales Interface
5.1 Start des Roboters und Aufruf des Interfaces
5.2 Aufbau und Elemente
5.2.1 Camera
5.2.2 Status
5.2.3 Controls
5.2.4 RVIZ Map
5.2.5 Set Waypose
5.2.6 GPS-Map
5.2.7 Odometry/Motors
5.2.8 IMU
5.2.9 Speed/Angle
6. Praxistest
6.1 Einsatzumgebung
6.2 Kartenaufzeichnung durch Fernsteuerung
6.3 Einzelzielnavigation
6.4 Multizielnavigation
6.5 Benachrichtigung über gescheiterte Routenplanung
6.6 Nothalt
6.7 Hindernis
7. Zusammenfassung, Fazit und Ausblick
A. Allgemeines
A.1 RR100
A.2 Workspace und Interface
A.2.1 Dateien und Inhalt
A.2.2 HTTPS-Adressen
A.3 Videos zum Praxistest
B. Anpassungen für eine Änderung der Einsatzumgebung
B.1 Kartenaufzeichnung
B.2 Ermitteln der Koordinaten
B.3 Darstellung der Roboterorientierung durch Quaternionen
B.4 Einfügen der neuen Karte in das Interface
B.5 Änderungen der HTML-, CSS- und JavaScript-Dateien
B.5.1 Anpassung im HTML-File
B.5.2 Anpassung im Styles File
B.5.3 Anpassung im JavaScript-File
B.6 Angabe der realen Dimensionen
C. Quellcode
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung eines Web-Interfaces zur Fernüberwachung und Steuerung autonomer Roboter des Typs RR100, um den Betrieb über eine entfernte Leitstelle zu ermöglichen und zu testen. Die Forschungsfrage untersucht dabei die Machbarkeit und Praktikabilität einer solchen Schnittstelle unter Verwendung des Robot Operating System (ROS).
- Anbindung eines autonomen Roboters (RR100) an ein webbasiertes Interface.
- Visualisierung von Sensordaten (LiDAR, Kamera, Odometrie, IMU).
- Durchführung von manueller Fernsteuerung und autonomer Navigation (Einzel- und Multizielmodus).
- Entwicklung und Einrichtung der Software-Architektur (Browser-Frontend mittels WebSocket-Kommunikation).
- Validierung des Konzepts durch verschiedene Testszenarien.
Auszug aus dem Buch
1.1 Einleitung
Kaum eine Epoche hat den Menschen und die Art zu leben so sehr verändert, wie die Industrialisierung in den 1820er Jahren [1, S. 11]. Dank der flächendeckend eingesetzten neuen Dampfmaschine, welche später zur Eisenbahn weiterentwickelt wurde, erlebten Logistik und industrielle Fertigung einen enormen Aufschwung. Umfassende gesellschaftliche und ökonomische Umwälzungen waren die Folge [2, S. 380]. Einen ähnlichen Effekt erzielte darauf aufbauend die Erfindung des Automobils einige Jahrzehnte später, welches den Anfang der Massenmobilität darstellte, die im 20. Jahrhundert durch kontinuierliche Weiterentwicklung der Transportmittel vorangetrieben wurde [3, S. 53]. Heute, im Jahr 2022, kann man durchaus ähnliche Tendenzen zu tiefgreifenden Umwälzungen beobachten, da sich abermals eine Technologie herauskristallisiert, welche die Fortbewegung und unzählige weitere Bereiche des Lebens umfassend verändern könnte. Die Rede ist von autonomen Fahrzeugen und Robotern [4, S. 35].
Die wachsende Zahl an elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und der Trend zu immer leistungsstärkeren Recheneinheiten für immer komplexer agierende Assistenzsysteme unterstützen ebenfalls den Entwicklungsdruck und das wachsende Interesse an der neuen Technologie. Die gesteigerte Effizienz durch optimierte Fahrplanung und die Vernetzung mit anderen Fahrzeugen und der Infrastruktur sind nur einige Vorteile von autonomen Fahrzeugen und Robotern. Insbesondere im Bereich des Personen- und Warentransportes gibt es ein sehr großes Interesse an der Umsetzung neuer Transportkonzepte, wie zahlreiche Versuche und Studien mit autonomen Verkehrsmitteln in Deutschland zeigen ( [5], [6] und [7]).
Am 20. Mai 2021 beschloss der Bundestag einen Gesetzesentwurf, welcher den Einsatz autonomer Fahrzeuge ohne physisch anwesenden Fahrer in definierten Betriebsbereichen des öffentlichen Straßenverkehrs erlaubt [8]. Dadurch sind die rechtlichen Voraussetzungen für den Betrieb autonomer und automatisiert agierender Fahrzeuge mit einem Leitstellen-Operator vorhanden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Gliederung: Vermittelt den Kontext der autonomen Mobilität und formuliert das Ziel der Arbeit, eine Fernüberwachungseinheit für den RR100-Roboter zu implementieren.
2. Grundlagen und Vorbetrachtungen: Erläutert die SAE-Levels des autonomen Fahrens, notwendige Sensorsysteme und die mathematischen Grundlagen für Kartografierung sowie Navigation.
3. Autonomer Roboter RR100: Stellt die Hardware-Architektur des RR100-Forschungsroboters sowie das Robot Operating System (ROS) als Framework für die Ansteuerung vor.
4. Konzepterstellung: Beschreibt die Software-Architektur des Web-Interfaces, einschließlich der WebSocket-Kommunikation und der Anforderungsanalyse für benötigte Bedienelemente.
5. Finales Interface: Detailliert den technischen Aufbau und die Funktionsweise aller Karten-Elemente des Interfaces, von der Kamera bis zur GPS-Map.
6. Praxistest: Dokumentiert die Validierung der Nutzeroberfläche in realen Szenarien wie Kartenaufzeichnung, Hindernisumfahrung und Notstopp-Auslösung.
7. Zusammenfassung, Fazit und Ausblick: Bewertet die erreichten Arbeitsergebnisse und diskutiert künftige Potenziale für die Fernsteuerung, insbesondere im Hinblick auf Skalierbarkeit.
Schlüsselwörter
Autonome Roboter, Fernüberwachung, Web-Interface, Robot Operating System, ROS, RR100, Sensordaten, Navigation, WebSocket, Automatisierung, Leittechnik, Human-Machine-Interface, 2D-Lidar, Teleoperation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Bachelorarbeit behandelt die Entwicklung einer webbasierten Bedienoberfläche, um autonome Roboter (speziell den RR100) aus einer räumlich getrennten Leitstelle heraus zu überwachen und zu steuern.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Der Fokus liegt auf den Bereichen Robotik, Software-Programmierung (besonders JavaScript und ROS), Netzwerk-Kommunikation (WebSocket) sowie der sensorischen Erfassung und Navigation autonomer Systeme.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist die Implementierung eines voll funktionsfähigen Web-Interfaces, das einen Operator in die Lage versetzt, Statusdaten abzurufen, Karten zu navigieren und im Notfall oder zur Manövrierung manuell einzugreifen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um einen anwendungsorientierten Ansatz: Nach einer theoretischen Aufarbeitung der Grundlagen wird eine Anforderungsanalyse erstellt, ein Software-Konzept entwickelt und dieses in der Praxis durch verschiedene Testszenarien (Praxistest) validiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden die technischen Komponenten des Roboters, die Anbindung an ROS, das Design der verschiedenen Interface-Module (Karten-Elemente), die Implementierung der WebSocket-Kommunikation sowie die konkreten Anpassungen für verschiedene Einsatzumgebungen (Kartenaufzeichnung) detailliert beschrieben.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist gekennzeichnet durch Begriffe wie "Fernüberwachung", "ROS", "Web-APIs", "autonome Navigation", "Sensor-Integration" und "User Interface Design".
Warum wurde für die Leitstelle eine Web-Applikation gewählt?
Eine Web-Applikation bietet den Vorteil der hohen Flexibilität und Geräteunabhängigkeit, da sie lediglich einen aktuellen Web-Browser benötigt und keine spezifische Client-Software auf den Endgeräten installiert werden muss.
Wie wird die Verbindung zwischen Browser und Roboter sichergestellt?
Die Verbindung erfolgt mittels WebSocket-Technologie in Kombination mit dem rosbridge-Paket, was einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen der JavaScript-Umgebung des Browsers und den ROS-Nodes auf dem Roboter ermöglicht.
Wie reagiert das Interface auf ein unvorhergesehenes Hindernis?
Das Interface visualisiert in Echtzeit die LIDAR-Daten via rviz. Erkennt der Navigationsalgorithmus ein Hindernis, wird dies im Interface dargestellt; das System plant autonom einen neuen Pfad, oder der Operator kann manuell via digitalem Joystick eingreifen.
- Arbeit zitieren
- Niklas Ritz (Autor:in), 2022, Entwicklung eines Web-Interfaces zur Fernüberwachung autonomer Roboter, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1319105
