Intelligentes hierarchisches Regelungskonzept für autonome mobile Robotersysteme: globale Planung, lokale Kollisionsvermeidung, robuste Bewegungsregelung
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Düsseldorf
VDI-Verl.
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| Schriftenreihe: | Verein Deutscher Ingenieure: [Fortschritt-Berichte VDI / 8]
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| Beschreibung: | Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 1995 |
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| adam_text | Titel: Intelligentes hierarchisches Regelungskonzept für autonome mobile Robotersysteme
Autor: Guldner, Jürgen
Jahr: 1995
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Hintergrund........................ 2 1.1.1 Aufgabenstellung.......................... 3 1.1.2 Begriffserläuterungen........................ 5 1.1.3 Leitgedanken der intelligenten Autonomie............ 6 1.2 Intelligentes hierarchisches Regelungskonzept............... 9 1.2.1 Teilaufgaben der drei Hierarchieebenen.............. 10 1.2.2 Obere Ebene: ‘Globale Planung’.................. 13 1.2.3 Mittlere Ebene: ‘Lokale Kollisionsvermeidung’ .......... 16 1.2.4 Untere Ebene: ‘Robuste Bewegungsregelung’........... 19 1.2.5 Implementierung und Erprobung des intelligenten hierarchischen Regelungskonzeptes......................... 22 1.3 Gliederung der Arbeit ........................... 23 2 Globale Planung 25 2.1 Einführung in die globale Planung....... 25 2.2 Übersicht über bekannte Ansätze zur globalen Planung und Planaktualisierung ................................... 29 2.2.1 Graphenbasierte globale Planung................. 29 2.2.2 Kartenbasierte globale Planung.................. 31 2.2.3 Planaktualisierung und Neuplanung................ 33 2.3 Mehrfachwellenbearbeitung zur ständigen Planaktualisierung...... 34 2.3.1 Systematische Mehrfachwellenbearbeitung des Planungsraumes . 35 2.3.2 Abschätzung der Aufwandsersparnis ............... 39 2.4 GlobalePlanungfürautonomemobileRoboter............... 42 2.4.1 Globale Hinderniswissensbasis: Gitterkarte mit hexagonalen Zellen 42
VI Inhaltsverzeichnis 2.4.2 Aufbau der Hindernisgitterkarte mit Wahrscheinlichkeitswerten 43 2.4.3 Globale Planung mit schneller Wellenausbreitung........ 45 2.4.4 Ständige Planaktualisierung durch Mehrfachwellenbearbeitung . 47 2.5 Zusammenfassung der globalen Planung ................. 48 3 Lokale Kollisionsvermeidung 51 3.1 Einführung in die lokale Kollisionsvermeidung.............. 51 3.2 Überblick über bekannte Ansätze zur Kollisionsvermeidung....... 54 3.2.1 Labyrinth-Suche-Algorithmen................... 55 3.2.2 Allgemeine künstliche Potentialfelder............... 55 3.2.3 Harmonische künstliche Potentialfelder.............. 56 3.2.4 Flußpotentiale............................ 57 3.2.5 Generalisierte Potentialfelder ................... 58 3.2.6 Gitterkartenbasierte Algorithmen................. 58 3.2.7 Hauptprobleme bisheriger Ansätze zur Kollisionsvermeidung . . 59 3.3 Harmonische Dipol-Potentiale zur lokalen Kollisionsvermeidung .... 61 3.3.1 Harmonische Dipol-Potentiale für einzelne Hindernisse ...... 61 3.3.2 Harmonisches Gesamtpotential für mehrere Hindernisse..... 68 3.4 Sensorbasierte lokale Kollisionsvermeidung für mobile Roboter..... 75 3.4.1 Sensorsystem zur Erfassung des Arbeitsraumes.......... 76 3.4.2 Berechnung des harmonischen Dipol-Potentials aus den Meßdaten der Arbeitsraumsensoren...................... 77 3.5 Zusammenfassung der lokalen Kollisionsvermeidung........... 81 4 Robuste Bewegungsregelung 83 4.1 Einleitung zur robusten Bewegungsregelung ............... 83 4.2 Überblick über bekannte Ansätze zur Bewegungsregelung........ 86 4.2.1 Konventionelle Bahnfolgeregler .................. 87 4.2.2 Direkte Koppelung des Gradienten eines künstlichen Potentialfeldes mit der Roboterdynamik .................. 88 4.2.3 Berücksichtigung der Roboterdynamik im Potentialfeldentwurf über die Erreichzeit zu einem Hindernis.............. 89 4.2.4 Der Gradient eines künstlichen
Potentialfeldes als Geschwindigkeitsfeld ............................... 89 4.3 DynamischeundkinematischeRobotermodelle............... 90 4.3.1 Modell eines holonomen Roboters................. 90
Inhaltsverzeichnis VII 4.3.2 Abstraktes Modell für die Roboterantriebe............ 91 4.3.3 Modell eines nichtholonomen mobilen Roboters......... 92 4.4 Gleitregler zum Gradientenfolgen für holonome mobile Roboter .... 95 4.4.1 Kurze Einführung in die Theorie gleitender Regler........ 96 4.4.2 Grundidee der Gradientenfolgeregelung.............. 99 4.4.3 Absolutgeschwindigkeit des Roboters beim Gradientenfolgen . . 99 4.4.4 Gleitreglerentwurf zum Gradientenfolgen............. 102 4.5 Das Schnatterproblem: Ursachen und Lösungsmethoden ........ 103 4.5.1 Ursachen von Schnattern...................... 104 4.5.2 Kaskadenregelung.......................... 107 4.5.3 Approximation der Schaltfunktion durch eine Sättigungsfunktion 110 4.5.4 Zusätzlicher Beobachterkreis mit idealem Gleiten ........ 113 4.5.5 Diskussion der Lösungsmethoden des Schnatterproblems .... 117 4.6 Gleitregler zum Gradientenfolgen für nichtholonome mobile Roboter . . 118 4.6.1 Gleitregler für die Absolutgeschwindigkeit ............ 118 4.6.2 Gleitregler für die Orientierung.................. 119 4.6.3 Aspekte der Implementierung................... 121 4.7 Zusammenfassung der robusten Bewegungsregelung........... 123 5 Von der Theorie zur Praxis 125 5.1 Beschreibung des Versuchsroboters Roamer ............... 126 5.2 Details der Implementierung........................ 130 5.2.1 Oberen Ebene: ‘Globale Planung’................. 131 5.2.2 Mittleren Ebene: ‘Lokale Kollisionsvermeidung’......... 133 5.2.3 Untere Ebene: ‘Robuste Bewegungsregelung’........... 137 5.3 Exemplarische Versuchsfahrten ...................... 138 5.4 Zusammenfassung und Diskussion der experimentellen Erprobung . . . 140 6 Schlußfolgerungen und Perspektiven 147 6.1 Zusammenfassung der Leitgedanken.................... 148 6.2 Zusammenfassung des intelligenten hierarchischen Regelungskonzeptes . 149 6.2.1 Obere Ebene: ‘Globale Planung’.................. 150
6.2.2 Mittlere Ebene: ‘Lokale Kollisionsvermeidung’.......... 154 6.2.3 Untere Ebene: ‘Robuste Bewegungsregelung’........... 156 6.3 Implementierung des intelligenten hierarchischen Regelungskonzeptes 159
6.4 Erweiterungsmöglichkeiten und Ausblick................. 162 6.4.1 Erweiterung mit speziellen Verhaltensweisen........... 162 6.4.2 Erweiterung auf komplexere Bewegungsaufgaben......... 163 6.4.3 Erweiterung auf mobile Manipulatoren.............. 164 A Definitionen 167 A.l Variablen .................................. 167 A.2 Punktionen ................................. 171 A. 3 Englische Übersetzungen.......................... 172 B Beispiele und Algorithmen 173 B. l Simulationsbeispiele zum Schnatterproblem................ 173 B.2 Implementierte Algorithmen........................ 176 Literaturverzeichnis 185
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