Navigation mobiler, kooperativer Roboter

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine zur Forschung an mobilen, kooperativen und intelligenten Robotern entwickelte Plattform beschrieben, die als preiswerte Testumgebung für zukünftige industrielle Anwendungen dient.<br />Hauptziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Mehrrobotersystems mit hoher Datenverarbeitungsgeschwindigkeit und geringen Verzögerungszeiten.<br />Dazu war es notwendig, sowohl neue Roboter mit nichtholonomen Bindungen zu konstruieren, als auch neue Methoden für die Navigation und Kommunikation zu entwickeln und zu testen.<br />Als erster Schritt wurde ein externes, bildbasiertes Positionserkennungssystem implementiert, dessen Kalibrierungsaufwand sich trotz unterschiedlichster Umgebungsbedingungen auf wenige Parameter beschränkt. Die präzise, gleichzeitige Verfolgung von über 20 Robotern stellt eine Grundvoraussetzung für das nachfolgende Navigationskonzept dar. Die vorgestellten Methoden orientieren sich an reaktiven Verhaltensmustern (behavior-based approach) und unterstützen die strategische Bahnplanung mit speziell für zweirädrige Roboter angepasste Positionsfunktionen und Vorhersagealgorithmen. Dabei erlaubt die übersichtliche Softwarestruktur eine flexible Einbindung neuer Ansätze.<br />Für die Kommunikation der Roboter wurde ein detailliertes echtzeitfähiges Funkprotokoll für variable Übertragungsgeschwindigkeit und variabler Anzahl von Agenten entwickelt. Es nützt die Vorteile der verwendeten Übertragungsmodule, die bidirektional mit fester Frequenz und geringer Verzögerungszeit arbeiten.<br />Um die räumlichen Abmessungen der Testplattform so gering wie möglich zu halten, wurden zwei kompakte mobile Roboter konstruiert, die weniger als 80 bzw. 230 cm3 Volumen benötigen, aber dennoch Geschwindigkeiten bis zu 3,5 m/s bei Beschleunigungen von über 10 m/s2 erreichen. Streng definierte Echtzeitbedingungen ermöglichen eine schnelle und exakte Regelung.<br />Das Ergebnis ist ein Mehrrobotersystem, das aus schnellen, mobilen und kooperativen Minirobotern besteht. Die hier entwickelten Methoden liefern einen wesentlichen Beitrag zum Einsatz in der Industrie und im Privatbereich.<br />

The aim of the present thesis was to develop a platform for mobile, cooperative and intelligent robots serving as an inexpensive testbed for future industrial applications.<br />The main issue that is pursued is a multi-robot system with high processing speed and low latency. Under these circumstances the construction of new robots with nonholonomic kinematics and the development and testing of new methods for navigation and communication does play an important role.<br />First of all, an external vision-based position recognition system was implemented. Its calibration complexity is limited to few parameters, even in heavy varying environments. The precise, simultaneous pursuit of over 20 robots represents a basic condition for the following navigation concept. The presented methods apply reactive behavior patterns (behavior based approach) and support strategic course planning with adapted position functions and prediction algorithms for two-wheeled robots. The clear software structure permits a flexible integration of new appendages.<br />A detailed real-time radio protocol for variable transmission rate and variable number of agents were created for communication. It uses the advantages of the attached transmission modules which work bi-directional with fixed frequency and small latency.<br />In order to keep the spatial dimensions of the platform as small as possible, two compact mobile robots were designed. They need volumes under 80 or 230 cm3, but nevertheless speeds up to 3,5 m/s at accelerations of over 10 m/s2 can be achieved. Strictly defined real-time conditions make a fast and accurate closed loop control possible.<br />The result is a multi-robot system consisting of fast, mobile and cooperative minirobots. The developed methods supply a substantial contribution to applications in the industry and private sector.