Zusammenfassung
Die Regelung mobiler Roboter trägt entscheidend zur Erhöhung der Traktion und
Ausschöpfung ihres Mobilitätspotentials bei. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich explizit mit der Kraftregelung von Ketten-Flippern eines modular aufgebauten Roboters, die zur Unterstützung der Mobilität aktiv an den Untergrund adaptiert werden können.
Ausgehend von einer theoretischen Auseinandersetzung mit verschiedenen
Prinzipien der Kraftregelung erfolgt die Auswahl eines geeigneten Verfahrens für das vorliegende System. Die Implementierung des Regelalgorithmus wird dezentral auf den einzelnen Motorsteuerungen umgesetzt. Eine abschließende experimentelle Untersuchung zeigt, dass das realisierte Verfahren in verschiedensten Geländetopologien die Mobilitätseigenschaften des Systems positiv beeinlusst. Durch die Auslagerung des Reglers in ein eingebettetes System kann eine Reduzierung von Latenzzeiten erreicht und dadurch die Echtzeitfähigkeit auch in dynamischen Einsatzfällen sichergestellt werden.
abstract
The control of mobile robots is decisive for the increase of traction and exhaustion of their mobility potential. The present thesis refers to the force control for the track-lippers of a modular constructed robot, which are adapted to the terrain to support the mobility actively.
Based on a theoretical analysis of diferent principles of force control a suitable method for the present system is chosen. The implementation of its algorithm is decentralized efectuated on the single engine control units. A inal experimental evaluation shows that the realized method positively afects the mobility characteristics in various terrain topologies. The evacuation of the controller in an embedded system attains a reduction of latency periods. Therefore a real-time capability can even be assured in dynamic cases of application.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Aufbau des Moebhiu²s Robotersystems
1.2. Motivation
1.3. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit
2. Stand der Technik und Forschung bei mobilen Robotersystemen
2.1. Historische Entwicklung mobiler Robotersysteme
2.1.1. Erste Implementationen
2.1.2. Klassifizierung heutiger mobiler Robotersysteme
2.2. Regelung mobiler Robotersysteme
2.3. Regelungskonzepte
2.3.1. Roboter-Positionsregelung
2.3.2. Roboter-Kraftregelung
2.3.3. Hybride Kraft- und Positionsregelung
3. Kraftregelung in der Robotik
3.1. Grundlagen der Kraftregelung
3.2. Kontaktmodellierung zwischen Robotersystem und Umwelt
3.3. Kennwerte des Kontaktes
3.3.1. Kraft und Drehmoment im Kontakt
3.3.2. Impedanz und Admittanz des mobilen Robotersystems
3.4. Übersicht bekannter Kraftregelungsverfahren
3.4.1. Nachgiebige Roboterapplikationen
3.4.2. Impedanzregelung
3.4.3. Admittanzregelung
3.4.4. Explizite Kraftregelung
3.4.5. Kaskadierte Kraftregelung
3.4.6. Adaptive Kraftregelung
4. Auswahl eines Kraftregelungsverfahrens für die Flipper des Moebhiu²s
4.1. Anforderungen an eine Regelung der Flipper
4.2. Bewertung und Auswahl der Regelverfahren
4.2.1. Bewertung der Regelungsprinzipe
4.2.2. Bewertung der Regelungsverfahren
5. Auslegung und Evaluierung der Impedanzregelung
5.1. Modellierung der Impedanzregelung
5.2. Implementierung des Reglerentwurfs
5.3. Vorstellung des eingesetzten Prüfstandes
5.4. Empirische Dimensionierung der Regelparameter
5.4.1. Theorie des empirischen Optimierens
5.4.2. Anforderung an die Dimensionierung der Regelparameter
5.5. Auslegung der Impedanzregelung am Prüfstand
5.5.1. Definition der Simulationsbedingungen
5.5.2. Simulation „Fahren auf einer Ebene mit Hindernissen“
5.6. Erprobung der Regelung in dynamischen Einsatzumgebungen
5.6.1. Simulation „Fahren auf einer schiefen Ebene“
5.6.2. Simulation „Unregelmäßige Wellenbahn mit niedriger Frequenz“
5.6.3. Simulation „Regelmäßige Wellenbahn mit hoher Frequenz“
6. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, effektive Kraftregelungskonzepte für die aktiven Ketten-Flipper des mobilen Robotersystems "Moebhiu²s" zu entwickeln und zu implementieren, um dessen Mobilität und Traktion in unstrukturiertem Terrain zu maximieren. Im Fokus steht dabei die Bewältigung statisch nicht eindeutig definierter Auflagepunkte und die Optimierung der Interaktion zwischen Roboter und Untergrund.
- Entwicklung und Evaluation von Regelungsstrategien für mobile Robotersysteme.
- Konzeption und Implementierung einer Impedanzregelung zur Kraftrückkopplung.
- Empirische Dimensionierung und Optimierung von Regelparametern am Prüfstand.
- Simulation verschiedener Geländetopologien zur Validierung der Echtzeitfähigkeit und Stabilität.
- Minimierung von Latenzzeiten durch direkte Einbettung des Regelalgorithmus in die Motorsteuerung.
Auszug aus dem Buch
3.4.2. Impedanzregelung
Die Impedanzregelung kann als kraftbasierte Nachgiebigkeitsregelung aufgefasst werden, bei der ein äquivalenter Wert der Kraftänderung für die gewünschte Impedanzeinstellung aufgrund der aktuellen Positionsabweichung berechnet wird. Das Regelkonzept enthält hierbei zwei Regelkreise. Der innere Regelkreis enthält eine Kraftrückkopplung und der äußere Regelkreis eine Positionsrückkopplung [Rusin07]. Die Abbildung 3.4 verdeutlicht in einem Blockschaltbild das Prinzip der Impedanzregelung.
Innerhalb der Regelung wird aus der gemessenen Kontaktkraft und den gewünschten Nachgiebigkeitseigenschaften des Systems über die Regelparameter Steifigkeit, Dämpfung und Masse eine Positionsänderung Δx an den Bewegungsregler übergeben. Dieser berechnet je nach Auswahl der gewünschten Roboterimpedanz die entsprechende Korrektur für den Lage-(xakt), Geschwindigkeits- (ẋakt) bzw. Beschleunigungsregelkreis (ẍakt; in Abbildung 3.4 dargestellt) [Rusin07, Finkemeyer04, Milighetti10].
Die Stabilität der Impedanzregelung ist grundsätzlich möglich und vor allem bei weichem Kontakt gut realisierbar. Gefährdet ist sie hingegen bei harten Kontakten, da die Schwierigkeit in der Praxis bei der Generierung geeigneter Trajektorien liegt und die Festlegung geeigneter Impedanzen und der Nachgiebigkeit nicht ohne weiteres möglich ist [Finkemeyer04]. Die Wahl der Parameter aus Gleichung 3.9 für die Zielimpedanz des Robotersystems ist dabei abhängig von der Umgebung. Dabei stellt man beispielsweise eine hohe Zielsteifigkeit Sref in der Richtung, wo die Umgebung bzw. der Untergrund nachgiebig ist, ein. In die Richtung, in der die Bewegung durch eine Oberfläche mit hoher Steifigkeit gehemmt wird, wird in der Regel eine niedrige Zielsteifigkeit Sref gewählt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Vorstellung des Robotersystems "Moebhiu²s", dessen Aufgabenstellung in Trümmerstrukturen sowie die Motivation und Zielsetzung der Arbeit.
2. Stand der Technik und Forschung bei mobilen Robotersystemen: Historischer Rückblick, Klassifizierung mobiler Roboter und Grundlagen der Regelungstechnik bei Robotersystemen.
3. Kraftregelung in der Robotik: Theoretische Grundlagen zur Kontaktmodellierung und Vorstellung verschiedener Verfahren zur Kraftregelung, wie Impedanz- und Admittanzregelung.
4. Auswahl eines Kraftregelungsverfahrens für die Flipper des Moebhiu²s: Evaluierung der Anforderungen an die Flipperregelung und Auswahl der Impedanzregelung als geeignetes Verfahren.
5. Auslegung und Evaluierung der Impedanzregelung: Detaillierte Beschreibung des Reglerentwurfs, der Implementierung am Prüfstand und Validierung durch Simulation verschiedener Terraintypen.
6. Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der Ergebnisse und Diskussion möglicher zukünftiger Erweiterungen der Regelungsarchitektur.
Schlüsselwörter
Kraftregelung, Impedanzregelung, mobile Robotersysteme, Flipper, Traktion, Echtzeitfähigkeit, Roboternachgiebigkeit, Sensorik, Moebhiu²s, Kontaktmodellierung, Bewegungsregelung, PID-Regler, Antriebsstrang, Geländegängigkeit, Systemstabilität.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Konzeption und Implementierung einer Kraftregelung für die aktiven Flipper eines modularen, mobilen Robotersystems namens "Moebhiu²s", um dessen Bewegungsfähigkeit in unstrukturierten Umgebungen wie Trümmerstrukturen zu verbessern.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Felder sind die Regelungstechnik für mobile Roboter, die Modellierung mechanischer Kontakte zwischen Roboter und Untergrund sowie die praktische Umsetzung von Kraftregelstrategien zur Optimierung der Traktion.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, durch den Einsatz elastischer Komponenten bzw. virtueller Impedanzen eine optimierte Lokomotion zu erreichen, die es dem Roboter erlaubt, Hindernisse besser zu überwinden und die Bodenhaftung zu erhöhen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein empirischer Ansatz gewählt, bei dem Regelparameter an einem Motorprüfstand unter Simulation verschiedener Geländetopologien optimiert werden, anstatt sich ausschließlich auf rein analytische Herleitungen zu stützen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretische Herleitung der Kontaktmodellierung, die methodische Bewertung verschiedener Kraftregelungsverfahren, die konkrete Auswahl und Auslegung der Impedanzregelung sowie deren experimentelle Erprobung am Prüfstand.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den prägenden Begriffen gehören Kraftregelung, Impedanzregelung, mobile Robotersysteme, Flipper, Roboternachgiebigkeit und Echtzeitfähigkeit.
Warum wird die Impedanzregelung anderen Verfahren vorgezogen?
Die Impedanzregelung kombiniert hohe Dynamik mit Flexibilität und ermöglicht eine gute Anpassung an die Gegebenheiten des Antriebsstrangs, während sie gleichzeitig die bei der direkten Kraftregelung auftretenden Messungenauigkeiten durch die Nutzung von Positionsdaten (via Encoder) umgeht.
Wie wurde die Echtzeitfähigkeit der Regelung sichergestellt?
Um Latenzzeiten zu minimieren und die Überlastung des Kommunikationsbus zu verhindern, wurde der Regelalgorithmus direkt auf der motoreigenen Steuerung eingebettet.
- Arbeit zitieren
- Thomas Jordan (Autor:in), 2011, Konzeption und Implementierung einer Kraftregelung für die aktiven Flipper des mobilen Robotersystems Moebhius, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/207561
