Nawigacja robotów mobilnych

Barbara Siemiątkowska
Rozszerzony konspekt przedmiotu
„Nawigacja robotów mobilnych”
Warszawa 2009
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Jednostki dydaktyczne przedmiotu:
wykład 20 , laboratorium 10
proponowane punkty ECTS: 5
Streszczenie (cel i zakres przedmiotu)
Celem przedmiotu jest zapoznanie słuchaczy z podstawami nawigacji autonomicznych
robotów mobilnych i zastosowania metod sztucznej inteligencji w planowaniu działań. Po
wysłuchaniu wykładów student powinien posiadać wiedzę umożliwiającą samodzielne
stworzenie oprogramowania, które umożliwi realizowanie elementów systemu nawigacji:
planowanie trasy, lokalizacja czy tworzenie mapy otoczenia. W czasie zajęć zaprezentowany
zostanie: podział systemów nawigacyjnych, przegląd konstrukcji i układów sensorycznych
robotów mobilnych. metody budowy map otoczenia na podstawie zaszumionych danych
pomiarowych oraz algorytmy
planowanie działań robotów. Przedstawione zostaną
architektury systemów sterowania robotów, omówione zostaną algorytmy określenia
przemieszczenia pojazdu, który porusza się w nieznanym otoczeniu. Przedstawione zostaną
zagadnienia związane ze sterowaniem grupą współpracujących ze sobą robotów. Na końcu
wykładu przedstawione zostaną istniejące działające układy nawigacyjne: robot pracujący w
szpitalu, robot przewodnik – Minerva oraz opracowany na wydziale Mechatroniki system
nawigacyjny robota Elektron. Oprócz zagadnień ściśle związanych z robotyką omówione
zostaną także tematy ze sztucznej inteligencji: algorytmy przeszukiwania grafów, sieci
komórkowe, przetwarzanie danych zaszumionych, pola i łańcuchy Markowa, filtr Kalmana,
metoda Monte-Carlo.
Laboratorium będzie się składało z pięciu dwugodzinnych bloków. Studenci powinni:
opracować system zbierania danych sensorycznych, zaimplementować wybrane algorytmy
planowania trasy i reprezentacji otoczenia.
Wykład
1. Wstęp (2 godz)
Definicja systemu nawigacyjnego robota mobilnego, krótka historia robotyki
mobilnej, podział istniejących robotów ze względu na:
• stopień autonomii (roboty autonomiczne, nieautonomiczne i częściowo
autonomiczne)
• sposób przemieszczania się (roboty kołowe, gąsiennicowe, kroczące, kroczącokołowe, pływające i latające)
• roboty holonomiczne i nieholonomiczne
2. Układy sensoryczne robotów mobilnych (2godz)
Omówiony zostanie podział sensorów na aktywne i pasywne, wewnętrzne i zewnętrzne.
Przedstawiona będzie budowa i zasady działania: inklinometru, żyroskopu, kompasu,
odometrii, sonarów, dalmierza laserowego, sensorów wizyjnych i taktylnych.
Przedstawione zostaną także systemy skanowania 3D: stereowizja, kamery metryczne
oraz skanery laserowe 3D.
3. Podstawy sterowania robotami kołowymi (2godz)
Omówione zostaną podstawowe napędy robotów kołowych: napęd różnicowy,
synchroniczny, platforma Ackermana, układy z jednym kołem napędowym.
Przedstawione zostanie proste i odwrotne zadanie kinematyki dla wymienionych
powyżej układów. Część wykładu zostanie poświęcona zastosowaniu zbiorów
rozmytych w sterowaniu robotami mobilnymi.
4. Reprezentacja otoczeni robota mobilnego (4 godz.)
5.
6.
7.
8.
Podział metod reprezentacji otoczenia: mapy metryczne, topologiczne, semantyczne.
Omówienie algorytmów budowy map metrycznych: rastrowych oraz wektorowych na
podstawie danych z sensorów dalmierzy laserowych lub sonarów. Przedstawienie
algorytmów: agregacji danych metodami probabilistycznymi, wykorzystując teorię
Shafera-Dempstera i minimalizację średniokwadratową. Porównanie map rastrowych
i wektorowych. Zaprezentowanie przykładów map topologicznych – opis budynku,
opis pomieszczenia. Algorytm tworzenia reprezentacji semantycznej na podstawie
informacji metrycznej. Omówienie algorytmów tworzenia reprezentacji 3D – mapy
wysokości, rozszerzone mapy wysokości, mapy wielowarstwowe.
Planowanie trasy dla robota mobilnego (4 godz.)
Definicja zagadnienia planowania trasy. Planowanie trasy w przypadku topologicznej
reprezentacji otoczenia, algorytmy przeszukiwania grafów, A* i D*. Planowanie trasy
w przypadku map metrycznych: algorytm pluskwy, metoda potencjałów, metoda
rozchodzenia się fali. Zachowania odruchowe: metoda histogramów Katowych, zbiory
rozmyte, uwzględnienie ograniczeń kinematycznych w procesie pokonywania trasy –
metoda dynamicznego okna.
Lokalizacja robota (2 godz.)
Metody określenia przemieszczenia się robota przemieszczającego się w znanym
otoczeniu: sztuczne znaczniki, metody triangulacyjne, dopasowywanie map, metody
określania położenia robota przemieszczającego się w otoczeniu, które nie jest znane
– filtr Kalmana, filtry cząsteczkowe.
Przegląd istniejących systemów nawigacyjnych(2 godz.)
Budowa robotów Minerva i Elektron oraz opis systemów nawigacyjnych, budowa
robota pracującego szpitalu, współdziałanie i komunikacja z człowiekiem. Narzędzia
ułatwiające programowanie robotów mobilnych: Player-Stage, Microsoft Robotics
Studio.
Układy robotów mobilnych(2 godz.)
Systemy rozproszone i sterowane centralnie. Zastosowanie układów sterowanych
zdarzeniowo, planowanie trasy dla grupy robotów wykorzystując pola potencjałowe
oraz sieci komórkowe.
Laboratorium
Laboratorium będzie się składało z pięciu dwugodzinnych bloków. Studenci powinni:
• korzystając ze znajdujących się na Wydziale Mechatroniki robotów: Pioneer i
Elektron zbadać możliwości układów sensorycznych np. określić wpływ rodzaju
powierzchni przeszkody na dokładność otrzymanych wyników oraz wpływ podłoża na
dokładność odometrii,
• wykorzystując wzór Bayesa stworzyć mapę otoczenia na podstawie danych z
dalmierza laserowego oraz sonarów oraz porównać otrzymane wyniki, przetestować
algorytm dobierając różne parametry,
• opracować i przetestować algorytm działania odruchowego: należy rozpatrzeć dwa
przypadki – przeszkoda dynamiczna lub statyczna,
• zaimplementować algorytm przeszukiwania grafu(planowanie trasy w budynku o
znanej architekturze) , uruchomić system na wybranym robocie Elektron lub Pioneer,
• opracować algorytm planowania trasy w nieznanym otoczeniu, uruchomić system na
wybranym robocie Elektron lub Pioneer.
Literatura
1. Piotr Skrzypczyński, Metody analizy i redukcji niepewności percepcji w systemie
nawigacji robota mobilnego, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2007
2. Barbara Siemiątkowska, Skrypt do przedmiotu Nawigacja robota mobilnego
3. D. Fox , W. Burgard, S. Thrun , Probabilistic robotics, 2004
4. J. C. Latombe, Robot Motion Planning. Kluwer Academic Publishers, 1992
5. I. Dulęba, Metody i algorytmy planowania ruchu robotów mobilnych i manipulatorów,
Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, 2001,
6. L. Bolc, J. Cytowski, Metody przeszukiwania heurystycznego, PWN, 1989