Design und Verifikation von Regelungs- und Trackingalgorithmen für mobile Minirobotersysteme

Das Thema autonome, mobile, kooperierende Robotersysteme ist eines der zukunftsträchtigsten der Technik. Dies ist daran zu erkennen, dass sich führende Industrienationen, an ihrer Spitze die USA und Japan, des Themas angenommen haben. Im Jahre 2002 haben das Institut für Maschinen- und Prozessautomatisierung, das Institut für Computertechnik und die Abteilung wissensbasierter Systeme der Institutes für Informationssystem beschlossen in der Forschung von autonomen mobilen Robotern zu kooperieren. Die Forschungsthemen für diesen Antrag lassen sich in drei Teilbereiche gliedern: Positionsverfolgung und Vorhersage Pfadplanung Schlupfregelung und Friktionsvorhersage Das Ziel des Antrages ist es, grundlegende Regelungsprobleme zu lösen, welche sich bei der Behandlung eines wissenschaftlichen Roboterprojektes ergeben. Das Ergebnis wird für die Regelung eines mobilen Miniroboters verwendet. Dieser mobile Miniroboter wurde in den letzten Jahren entwickelt und wird stetig zu einem kompletten autonomen Roboter weiterentwickelt. Beim Thema Positionsverfolgung und Positionsvorhersage werden wir uns auf das Thema der Sensorfusion von Beschleunigungs-, Drehwinkel, Erdmagnetfeldsensoren, sowie Enkoder, onboard-Kameras und - soweit erforderlich - einer globalen externen Kamera konzentrieren. Für die Regelung des Robotersystems wird die Position des Roboters relativ zu seiner Umgebung benötigt. In unserer Testumgebung werden die zu regelnde Bewegung des Roboters, sowie die Objekte, welche sich in der näheren Umgebung des Roboters bewegen, mit der Hilfe von onboard Sensoren ermittelt. Auf der Basis von mehrfacher Sensorinformation werden die aktuelle und die zukünftige Position der sich bewegenden Objekte und der Umgebung generiert. Der Aufbau des Regelungssystems basiert auf einem Schichtenmodell, wobei sich dieser Antrag auf die untersten Kontrollschichten konzentriert. Diese sind die Regelung zu einem Zielpunkt, wobei hierfür eine Trajektorie generiert wird und die Führung des Roboters entlang dieser Trajektorie. Diese Trajektorien werden durch Randbedingungen eingeschränkt. Solche Randbedingungen sind entweder der Bereich, den der Roboter nicht verlassen darf, oder Hindernisse, die der Roboter umfahren soll. Um den Roboter entlang der Trajektorie zu bewegen, wird ein auf Enkoder und Beschleunigungssensoren basierter Anti-Schlupf Regelungsmechanismus entwickelt.

Die grundlegende Aufgabe bei der Regelung autonomer mobiler Roboter ist es, den Roboter zu einer vorgegebenen Zielposition fahren zu lassen. Diese Aufgabe wird in eine Anzahl von Teilaufgaben zerlegt, die dann hierarchisch ausgeführt werden. Als erstes muss die Bewegung zum Zielpunkt geplant werden, d.h. eine Referenztrajektorie oder -pfad wird generiert ("Trajektorienplanung"). Als zweites muss der Roboter seine aktuelle Position kennen, während er sich bewegt ("Navigation"). Drittens soll der Roboter so gesteuert werden, dass die Referenztrajektorie exakt ausgeführt wird ("Bahnfolgeregelung"). Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurden neuartige Konzepte für alle drei Teilaufgaben entwickelt und getestet: Zur Trajektoriengenerierung werden verschiedene Kriterien gegeneinander abgewogen. Die Querbeschleunigungen während enger Kurven, die Zeitdauer bis zum Erreichen des Ziels, die gesamte Bogenlänge und die Glattheit der Kurve werden simultan optimiert, während harte Randbedingungen wie Maximalgeschwindigkeit, minimaler Kurvenradius (also maximaler Lenkeinschlag), Maximalbeschleunigung und minimaler Sicherheitsabstand zu Hindernissen genau eingehalten werden. Die vereinheitlichte mathematische Formulierung dieses Problems und seine numerische Lösung stellen eine neue Errungenschaft dar. Der entwickelte Navigationsalgorithmus leitet sich von einer bereits existierenden Idee her, wurde aber zu einem umfassenderen Konzept weiterentwickelt. Die Grundidee ist es, auf Grundlage der Raddrehungen zu navigieren, während das Durchrutschen der Räder ständig überwacht wird. Tritt übermäßiges Rutschen auf, wodurch die Navigation auf Basis der Raddrehungen unzuverlässig wird, wird auf Inertialsensoren wie Beschleunigungs- oder Gyrosensoren umgeschaltet. Die Überwachung ermöglicht auch Massnahmen zur Beschränkung des Rutschens. Die Anwendung von prädiktiver Regelung auf die Bahnfolgeregelung stellt eine neuartige Methode dar, mit gewissen mathematischen Schwierigkeiten bei der Regelung von mobilen Robotern umzugehen. Der Roboter ist in der Lage, seine Steuersignale auf Basis prädizierter Bewegungen zu optimieren. Dieses Konzept hat grosse Ähnlichkeit mit dem Verhalten eines menschlichen Lenkers. Mögliche Anwendungen der präsentierten Algorithmen sind autonome industrielle Transporteinrichtungen, autonome Fahrzeuge für den Einsatz in gefährlichen Umgebungen nach Naturkatastrophen oder Fahrerassistenzsyteme in der Automobilindustrie.