1 - Wydział Elektrotechniki i Automatyki

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI
I AUTOMATYKI
KATEDRA AUTOMATYKI
Robot do pokrycia powierzchni terenu
Zadania robota
Zadanie całkowitego pokrycia powierzchni na
podstawie danych sensorycznych
Zadanie unikania przeszkód ruchomych podczas
realizacji powyższej misji
DEFINICJA POJĘCIA CAŁKOWITEGO POKRYCIA POWIERZCHNI
Kolejne odwzorowania powierzchni robota na powierzchnię terenu
powstałe w wyniku rzutowania prostopadłego pola powierzchni
robota na płaszczyznę XY terenu w każdym punkcie ścieżki ruchu
pokrywają całą powierzchnię terenu
Robot
mobilny
Robot
mobilny
Y
Powierzchnia
pokrywana
Powierzchnia
pokrywana
Rzut powierzchni robota na
powierzchnię terenu
(powierzchnia pokryta)
X
Rzut prostopadły
pola powierzchni robota
na powierzchnię terenu w każdym punkcie
trajektorii ruchu (powierzchnia pokryta)
Pokrycie
powierzchni na
podstawie
znanej mapy
środowiska
oraz danych
sensorycznych
POKRYCIE
POWIERZCHNI
Tworzenie mapy
terenu na
podstawie danych
sensorycznych
Pokrycie powierzchni na
podstawie utworzonej
mapy środowiska oraz
danych sensorycznych
Pokrycie
powierzchni
bez znanej
a priori mapy
środowiska
Pokrycie
powierzchni tylko
na podstawie
danych
sensorycznych
ALGORYTM POKRYCIA POWIERZCHNI
(„ŚCIEŻKA SIEWCY”)
Y
Powierzchnia
pokrywana
900
900
„Ścieżka
siewcy”
Uderzenie
w ścianę
Start
X
BUDOWA ROBOTA MOBILNEGO TALRIK II
r = 0,24 m
Koło i blok
napędowy
450
Czujniki
zbliżeniowe
Czujniki
zderzeniowe
Koło
samonastawne
(widok z góry)
ALGORYTM UNIKANIA OBIEKTÓW RUCHOMYCH
Do robota mogą zbliżać się maksymalnie 3 przeszkody ruchome
Obiekty poruszają się ruchem jednostajnym po liniach prostych
Kierunki
rozpoznawania
przeszkód
W
WP
WL
P
L
Autonomiczny
robot mobilny
Kształt stref wykrywania
przeszkód przez czujniki
zbliżeniowe
TL
TP
T
PRZYKŁADOWY ALGORYTM UNIKANIA OBIEKTÓW RUCHOMYCH
Obszar
Obszar
pokryty
pokryty
Ucieczka
Ucieczka
Ucieczka
Kontynuacja
Kontynuacja
Ucieczka
Kontynuacja
w lewo i
Ucieczka
w
prawo
i Ucieczka
Kontynuacja
wpokrycia
do
ścieżki
pokrycia
wścieżki
ścieżki
lewo
pokrycia
dotyłu
tyłu
wprawo
lewo
do
tyłu
ścieżki
pokrycia
Kierunek ruchu robota
podczas realizacji
zadania pokrycia
Ucieczka
Ucieczka
Ucieczka
Kontynuacja
Kontynuacja
Ucieczka
w lewo i
Ucieczka
Ucieczka
wUcieczka
prawo
i
Kontynuacja
do
tyłu
wpokrycia
ścieżki
pokrycia
ścieżki
wdo
prawo
tyłu
lewo
wprawo
prawo
do
tyłu
ścieżki
pokrycia
Kierunek ruchu przeszkody
Kierunek ucieczki robota
SCHEMAT ZACHOWANIA REAKTYWNEGO
(SENSOMOTORYCZNEGO)
Bodźce
zewnętrzne
Wektor sygnałów
sensorycznych S
Wektor
sygnałów
sterujących U
Akcje
Otoczenie
Sensory
Moduł
przetwarzający
Zachowanie sensomotoryczne
Układy
wykonawcze
SCHEMAT ZACHOWANIA PSEUDOREAKTYWNEGO
Bodźce
zewnętrzne
Wektor flag i
wartości
liczników Fn
Zachowanie
pseudoreaktywne
Sensory
Blok
przetwarzający 1
Wektor sygnałów
sensorycznych S
Akcje
Blok
pamięci
Blok
przetwarzający 2
Blok
pamięci
...
Wektor
sygnałów
sterujących U
Blok
przetwarzający n
Blok
wykonawczy
Otoczenie
STRUKTURA MODUŁU PRZETWARZAJĄCEGO
Moduł przetwarzający ma za zadanie na podstawie
danych sensorycznych generować sygnały sterujące
układami wykonawczymi
Moduł przetwarzający zbudowany jest z pojedynczej
reguły bądź zbioru reguł
Moduł
przetwarzający
Wektor
sygnałów
sensorycznych S
JEŚLI S TO U
Wektor
sygnałów
sterujących U
ROZMYTA KOORDYNACJA ZACHOWAŃ ROBOTA – METODA CDB
(„Context Dependent Blending”)
Zdefiniowanie zachowania – podanie reguły Ri
JEŚLI Ai TO Ci
gdzie:
Ai – zbiory rozmyte opisujące sygnały sensoryczne S lub flag F
Ci – zbiory rozmyte opisujące sygnały sterujące U lub flag F
Baza reguł przyporządkowanych danemu zachowaniu Bi
{
Bi = R1i ,..., Rni
}
i = {1,..., k }
,
Synteza reguł zachowania Bi
(
)
(
)
DESBi (s,f , u) = A1i (s,f ) ∧ C1i (u,f ) ∨ ... ∨ Ani (s,f ) ∧ C ni (u,f )
gdzie:
DESBi (s,f , u) – funkcja przynależności do zbioru rozmytego
definiującego poszczególne zachowanie
Synteza zachowań – generacja sygnału sterującego
Przyporządkowanie każdemu zachowaniu kontekstu zastosowania
wyrażonego jako zbiór rozmyty o funkcji przynależności Cxt B s,f
Dla danego zbioru zachowań B
(
= {B1 ,..., Bk }
)
i
( )
(
)
DESB (s,f,u ) = Cxt B1 (s,f ) ∧ DESB1 (s,f,u ) ∨ ... ∨ Cxt Bk (s,f ) ∧ DESBk (s,f,u )
gdzie:
DESB (s,f,u )– funkcja przynależności zbioru rozmytego definiującego
zachowanie wypadkowe
Sygnał sterujący U wyraża się zależnością
u • DES (s,f , u)du
∫
U=
∫ DES (s,f , u)du
B
B
Sygnał sterujący U jest wektorem zawierającym zadane wartości
prędkości kół: lewego i prawego
ZACHOWANIA ELEMENTARNE (PROSTE) – 15 GRUP
Sygnały wejściowe powiązane są z pojedynczymi
wartościami sygnałów sterujących
ZACHOWANIA ZŁOŻONE
Zbiory dwóch lub więcej zachowań prostych
wykonywanych sekwencyjnie
I. „Pokrycie powierzchni” – 3 zachowania złożone
II. „Ucieczki” – 5 zachowań złożonych
III. „Pomocnicze” – 6 zachowań złożonych
STRUKTURA BLOKOWA SYSTEMU W ŚRODOWISKU
MATLAB-SIMULINK
STRUKTURA BLOKOWA SYMULATORA ROBOTA MOBILNEGO
5
2
3
1
4
1 – Blok systemu sterowania
2 – Blok modelu kinematyki i dynamiki
3 – Blok pomiarów
4 – Blok interfejsu użytkownika
5 – Blok modeli przeszkód ruchomych, czujników zbliżeniowych i zderzeniowych
RÓWNANIA
BLOKDYNAMIKI
„MODEL ROBOTA
ROBOTAMOBILNEGO”
MOBILNEGO
(2m l
2
1 1
[(
)
+ I z 4 + 2 I x 1 + 2 I z 1 h12 β&& = (M 1 − M 2 − N 1 f 1 + N 2 f 2 ) h1
2 m1
Model
kinematyki
]
Model dynamiki i
+ m 4 ) r + 2 I z 1 α&& = M 1 + M 2 −
2
Układ formowania
N
sygnałów
1 f 1 − Nwyjściowych
2 f2
z modelu
(2m1 + m4układ
) r [α&&regulacji
cosβ − α&β& sinβ ] = λ1
nadążnej
(2m1 + m4 ) r [α&& sinβ − α& β& cosβ ] = λ2
gdzie:
m1=m2 , m4 – masa koła 1 i 2 oraz masa platformy
Ix1=Ix2 , Iz1=Iz2 , Iz4– zastępcze masowe momenty bezwładności
kół 1 i 2 oraz platformy
N1=N2 – siły nacisku kół na podłoże
f1=f2 – siły nacisku kół na podłoże
r – promień kół
MODELEBLOK
UKŁADÓW
„POMIARY”
ODOMETRII
Pomiar długości drogi przebytej przez poszczególne koła,
przemieszczenia liniowego robota, prędkości średniej kół
Układy
2πN
ΔD
=
r = cm N
Długość
przebytej
drogi
przez
koło
1lub
2:
1, 2
odometrii
Ce
gdzie: Ce = 360 imp/obr , r – promień koła , N – liczba impulsów
Długość drogi przebytej przez robota:
(
ΔD2 + ΔD1 )
ΔD =
2
Układy
Błąd pomiaru przemieszczenia liniowego robota: ΔeD = 0,00144 m
zliczające
rad
Błąd pomiaru prędkości kątowej kół: Δeω = 0,3491
s
m
Błąd pomiaru prędkości liniowej robota: ΔeV = 0,0288
s
BLOK SONARY, PRZESZKODY I ZDERZAKI
Politechnika Szczecińska – Instytut Automatyki Przemysłowej
16 V 2006
MODEL SONARU
Równanie kinematyki ruchu środka przeszkody P w postaci parametrycznej
gdzie:
xPSi – współrzędna x punktu P
w lokalnym układzie
współrzędnych (Si)
xP , yP – współrzędne punktu P
w globalnym układzie
współrzędnych
i ∈ {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}
r – promień robota
ϕ – kąt pomiędzy osiami XA i XS
β – kąt obrotu platformy mobilnej
yp
YA
YS
.δ
Y
yps
XS
P
.
.S
.
.A x
r
p
xps
ϕ
XA
β
X
MODEL SONARU
1 – y = 0 ,3 x
dla x ∈ 0,35 m; 3,4 m
- 150 cm
- 120 cm
- 90 cm
- 60 cm
- 30 cm
- 0 cm
- 30 cm
- 60 cm
- 90 cm
- 120 cm
- 150 cm
Kształt strefy detekcji przeszkód w lokalnym układzie współrzędnych Si
dla sensora ultradźwiękowego UM-30-3000A-HP firmy SELS
2 – y = 0 ,174 x dla x ∈ 0,35 m; 1,5 m
3 – y = −0 ,1x + 0 ,45 dla x ∈ (1,5 m; 2 m
4 – y = 0,25 dla x ∈ (2 m; 3,4 m
1’
1
2’
2
3’
3
4’
4
XS
YS
- 30 cm
- 60 cm
- 90 cm
- 120 cm
- 150 cm
- 180 cm
- 210 cm
- 240 cm
- 270 cm
- 300 cm
ŚCIEŻKA
POKRYCIE
RUCHU
POWIERZCHNI
ROBOTA
Wartość
Bez
Przeszkoda
przeszkód
zmian
w
kierunku
współrzędnej
kierunku
W,P,T
W,P,L
W,T,L
W –x –
ucieczka
ucieczka
ucieczka
w
dolewo
w
tyłu,i
Δx do
≈
2ityłu
mm
ucieczka
prawo
prawo
lewo
do
w lewo
tyłu
1
2
3
4
5
6
7
8
Maksymalna
wartość zmian
współrzędnej x
ΔxMAX ≈ 6 mm
STOPNIEŃ S I EFEKTYWNOŚĆ E POKRYCIA POWIERZCHNI
S
E
%
93,6
%
88,3
Zachowanie
93,6
93,6
85,6
85,6
Ucieczka w prawo
93,6
93,6
85,6
85,5
Ucieczka w prawo
FNL = 1
93,6
93,6
82,5
82,5
Ucieczka w lewo i
do tyłu
Przeszkody - "W" i "T" i "L"
FNP = 1
FNL = 1
93,6
93,6
82,5
82,5
Ucieczka w prawo
i do tyłu
Przeszkody - "W" i "P" i "L"
FNP = 1
FNL = 1
93,6
93,6
81,6
81,6
Ucieczka do tyłu,
ucieczka w lewo
Bez przeszkód
Przeszkoda - "W"
Przeszkoda - "WP"
Przeszkoda - "WL"
Przeszkody - "W" i "P" i "T"
FNP = 1
FNL = 1
FNP = 1
FNL = 1
FNP = 1
Ucieczka w lewo
Ucieczka w lewo
ODLEGŁOŚĆ lmin ROBOTA OD PRZESZKÓD RUCHOMYCH
l min
m
Kierunek
Przeszkoda - "W"
Kierunek
Przeszkoda - "WP"
Przeszkoda - "WL"
Kierunek
Przeszkody - "W" i "P" i
"T"
Kierunek
Przeszkody - "W" i "T" i "L"
Kierunek
Przeszkody - "W" i "P" i
"L"
FNP = 1
FNL = 1
FNP = 1
FNL = 1
FNP = 1
FNL = 1
FNP = 1
FNL = 1
FNP = 1
FNL = 1
W
0,140
0,141
WP
0,111
0,125
W
0,140
0,141
W
0,139
0,139
W
0,142
0,142
-
P
0,143
0,143
T
0,429
0,453
P
0,351
0,561
-
T
0,453
0,402
L
0,144
0,144
L
0,380
0,879