MAMoRo; a biologically inspired Modular Autonomous Mobile Robot platform

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Implementierung einer biologisch inspirierten, modularen, autonomen, mobilen Roboterplattform oder MAMoRo (engl. Abk.: Modular Autonomous Mobile Robot) und der Demonstration seiner Funktionalität anhand einiger praktischer Anwendungen, wobei der Schwerpunkt auf der Hardware der Roboterplattform liegt.<br />MAMoRo besitzt die Rechenleistung um in rechenintensiven Anwendungen genutzt zu werden, wie zum Beispiel in der Bildverarbeitung, und ist gleichzeitig kostengünstig. Die Hauptfunktionen von MAMoRo werden in drei Module unterteilt: Power & Motion Modul, Control Modul, und Intelligence Modul. Die Entscheidungsfunktionen von MAMoRo wurden abhängig von ihrer Komplexität in zwei Module unterteilt: das Control Modul, ausgestattet mit einem kostengünstigen Mikrocontroller, ist für die Abhandlungen systemnaher Funktionen verantwortlich; und das Intelligence Modul, ausgestattet mit einem kostengünstigen Field Programmable Gate Array (FPGA), ist für die Abhandlungen von höhere und rechenintensiven Funktionen verantwortlich. Das Modell der Aufteilung der Funktionen anhand ihrer Komplexität und die Benutzung eines FPGA - ein flüchtiger programmierbarer Baustein - für die Abhandlungen von höhere Funktionen, ähnelt die Anatomie des menschlichen Gehirnes nach und bringt viele Vorteile mit sich. Des Weiteren steigert die Zusammenführung von einem Mikrocontroller und eines FPGA in einem System die Flexibilität erheblich und ermöglicht die Rekonfiguration von Hardware während der Laufzeit. Das ganze System ist über eine einzelne USB Schnittstelle programmierbar.<br />Nach der Implementierung von MAMoRo wurden seine Hardware Hauptfunktionen überprüft. Anschließend wurde die allgemeine Funktionalität von MAMoRo anhand einiger praktischer Anwendungen demonstriert. Das Projekt wurde erfolgreich abgeschlossen und alle am Anfang dieses Projekt genannten Ziele wurden erreicht.<br />

This thesis deals with the design and implementation from scratch of a biologically inspired modular autonomous mobile robot platform or MAMoRo (acronym for: Modular Autonomous Mobile Robot) and demonstrating its functionality with some practical applications. The emphasis is on the hardware of the robot platform. MAMoRo possess the processing power to be used in intensive-processing applications such as graphic processing, and is at the same time low-cost. The main functions of MAMoRo are distributed into three modules: Power & Motion module, Control module, and Intelligence module.<br />The decision-making functions of MAMoRo are distributed according to their complexity into two modules: the Control module, which is equipped with a low-cost microcontroller, and is responsible for handling low-level hardware functions; and the Intelligence module, which is equipped with a low-cost Field Programmable Gate Array (FPGA), and handles high-level and processing-intensive functions. This model of distribution of functions according to their complexity, and particularly using an FPGA - a volatile programmable hardware unit - for handling high-level functions was inspired from the anatomy of the human brain, and brings with it many advantages. In addition, the combination of a microcontroller and an FPGA in the same system enhances considerably the flexibility and makes hardware re-configuration at run-time possible. Furthermore, the whole system is programmable through a single USB interface.<br />After implementing MAMoRo, its hardware basic functions were tested.<br />Afterwards, the overall functionality of MAMoRo was demonstrated with some practical applications. The project was successfully completed, and all objectives stated at the beginning of the thesis were accomplished.<br />