Steuerung eines mobilen Roboters

Abstract

Die Gruppe RobTec des Instituts für Automatisierungs- und Regelungstechnik (ACIN) an der Technischen Universität Wien erarbeitet und erprobt grundlegende Konzepte für die Automatisierung und die Integration von Sensoren in die Robotik. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Bildverarbeitung zur Steuerung von Robotern, der Vermessung und Bestimmung der Pose von Objekten sowie auf der Kalibrierung von Kameras und Robotern. Langfristiges Ziel ist dabei ein eigenständiger Serviceroboter, der dem Menschen zeitraubende Arbeiten selbständig abnimmt.<br />Zur Integration der verschiedenen Funktionen, wie beispielsweise das Auslesen von Kamerabildern, die Ansteuerung von Kameraköpfen zur Objektverfolgung, das Verwalten und Verarbeiten der aufgenommenen Bilder und Sequenzen sowie eine graphische Benutzeroberfläche, wurde das ActIPret-Framework entwickelt. Dabei handelt es sich um Software, die unter dem Betriebssystem Linux unter Verwendung der Programmiersprache C++ geschrieben wurde. Das Framework ist komponenten- und servicebasiert und hat das Prinzip der "Gelben Seiten" zum Vorbild.<br />Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen mobilen Roboter für Indoor-Anwendungen in das Framework einzubinden, wodurch diesem die Funktionalität einer mobilen Plattform hinzugefügt wird. Die hier behandelte Gruppe von mobilen Robotern hat einen quasi-holonomen Antrieb. Das bedeutet, daß sie sich an Ort und Stelle drehen können. Das verleiht ihnen uneingeschränkte Beweglichkeit. Außerdem zählt eine große Zahl mobiler Roboter zu dieser Gruppe.<br />Durch Top-Down-Design der in dieser Arbeit entwickelten Robotersteuerung entsteht eine hierarchische Softwarestruktur, durch die die spezifischen Details eines mobilen Roboters abstrahiert werden. Somit ist vom Standpunkt einer über der Steuerung angesiedelten Anwendung ein allgemeiner und damit austauschbarer Roboter sichtbar. Ein objektorientierter Ansatz sowie Modularität gewährleisten zudem die weitgehende Wiederverwendbarkeit und Erweiterbarkeit des Programmcodes.<br />Im ersten Schritt dieser Arbeit wird erfasst, welche Funktionen ein mobiler Roboter im Allgemeinen einer Anwendung anbieten kann. Danach wird eine enstprechende Anwendungsschnittstelle (API) zum Roboter entwickelt und innerhalb des Frameworks in Form von Services implementiert. Diese hängen nicht von einem bestimmten Roboter ab.<br />Im zweiten Schritt wird für praktische Versuche eine Software-Komponente geschrieben, die einen bestimmten mobilen Roboter (Pioneer 2-DX) ans Framework anbindet und die erwähnten Services zur Verfügung stellt. Nach der Implementierung werden im dritten und letzten Schritt die Möglichkeiten und Grenzen anhand einiger praktischer Testanwendungen ausgelotet.<br />

The group RobTec of the Automation and Control Institute (ACIN) of the Technical University of Vienna elaborates and develops fundamental concepts for the automation and integration of sensors into robotics. The main focus lies on image processing for controlling robots, on measuring objects and on determining the pose of objects as well as on calibrating cameras and robots. The long term goal is the development of an autonomous service robot capable of independently relieving man from time-consuming tasks.<br />In order to integrate the various functions such as reading out camera images, controlling camera heads for tracking objects, managing and processing recorded images and sequences and a graphical user interface, the ActIPret-framework was developed. This is software written under the operating system Linux using the programming language C++.<br />The framework is component- and service-based and it is modelled on the principle of the "Yellow Pages".<br />The purpose of this thesis is the integration of a mobile robot for indoor applications into the framework. By this the functionality of a mobile platform is added to the framework. The kind of mobile robots discussed is the one with a quasi-holonomic drive, which means that they can turn in their own radius. This provides them with unrestrained movability. Besides, a vast number of mobile robots belong to this group.<br />By using top-down design for the robot control developed in this work, a hierarchical software structure evolves that abstracts the specific details of a mobile robot.<br />From an application's point of view residing above the robot control, only a general and therefore exchangeable robot is visible. By additionally using object-orientation and modularity large parts of the program code are reusable and new features can easily be integrated.<br />During the first step the services that a mobile robot can in general offer to an application are elaborated. Then a corresponding application interface (short: API) to the robot is developed within the framework in the form of services. These do not depend on a specific robot. During the second step - for practical testing - a software-component is written that integrates a particular mobile robot (Pioneer 2-DX) into the framework and that provides the mentioned services. After the implementation the third and last step explores the possibilities and limits by several test cases.<br />