Intelligente Bahnplanung und Regelung für einen autonomen zweibeinigen Roboter:
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| Published: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
2002
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| Edition: | Als Ms. gedr. |
| Series: | Fortschritt-Berichte VDI
Reihe 8, Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik ; 927 |
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REIHE 8
MESS-, STEUERUNGS- DIPL.-ING. DIPL.-OEK. ARNOS ALBERT,
UND REGELUNGSTECHNIK HANNOVER
NR. 927 I INTELLIGENTE
BAHNPLANUNG UND
REGELUNG FUER
EINEN AUTONOMEN,
ZWEIBEINIGEN ROBOTER
VDI VERLAG
INHALTSVERZEICHNIS
LISTE HAEUFIG VERWENDETER SYMBOLE UND ABKUERZUNGEN VIII
ABSTRACT XIV
1 EINLEITUNG 1
1.1 STAND DER FORSCHUNG 2
1.2 SCHWERPUNKTE DIESER ARBEIT UND GLIEDERUNG 9
2 AUTONOME SERVICEROBOTER 14
2.1 VOM INDUSTRIEROBOTER ZUM SERVICEROBOTER 14
2.2 ASPEKTE DER AUTONOMIE 15
2.3 EIN VERGLEICH VON SCHREITMASCHINEN MIT RADGETRIEBENEN ROBOTERN 16
2.4 PERSPEKTIVEN UND EINSATZGEBIETE FUER SERVICEROBOTER 17
3 ZWEIBEINIGER ROBOTER BART-UH 19
3.1 BESCHREIBUNG DES ZWEIBEINERS BART-UH 19
3.2 HARDWARE- UND SOFTWAREKONZEPT 21
3.3 MODELLIERUNG 23
3.4 IDENTIFIKATION 28
3.4.1 BESTIMMUNG DER REIBUNGS-UND GRAVITATIONSANTEILE 30
3.4.2 BESTIMMUNG DER MASSENTRAEGHEITSMOMENTE 31
3.5 DISKRETISIERUNG 33
3.6 PARAMETERSCHAETZUNG 38
3.6.1 LINEARE PARAMETERSCHAETZUNG 39
3.6.2 GRADIENTENVERFAHREN 40
3.6.3 EXTENDED KAIMAN FILTER (EKF) 42
3.7 ERGEBNISSE UND BEWERTUNG 45
4 BAHNPLANUNG FUER EINEN ZWEIBEINIGEN ROBOTER 50
4.1 ZUR STABILITAET SCHREITENDER ROBOTER 51
4.1.1 GROUND PROJECTION OF THE CENTER OF MASS (GCOM) 52
4.1.2 ZERO MOMENT POINT (ZMP) 53
4.1.3 CENTER OF PRESSURE (COP) 55
VI INHALTSVERZEICHNIS
4.1.4 BERECHNUNG DER FUSSREAKTIONSKRAEFTE 56
4.2 ANSAETZE FUER DIE BAHNPLANUNG 62
4.2.1 REALISIERUNG DES STATISCH STABILEN TREPPENSTEIGENS 63
4.2.2 LITERATURANSATZ: METHODE DES INVERSEN PENDELS 69
4.2.3 NEUE ANSAETZE ZUR ERHOEHUNG DER LAUFSTABILITAET 73
4.2.3.1 TWO MASSES INVERTED PENDULUM MODE (TMIPM) 75
4.2.3.2 SWING PHASE OPTIMIZED INVERTED PENDULUM MODE (SPOIPM) . 79
4.2.3.3 ALLGEMEINE LOESUNG FUER DIE METHODE TMIPM 83
4.2.3.4 MULTIPLE MASSES INVERTED PENDULUM MODE (MMIPM) 84
4.2.3.5 VERIFIKATION AM REALEN ROBOTER 87
5 REGELUNGSVERFAHREN ZUR AUSFUEHRUNG GEPLANTER TRAJEKTORIEN 93
5.1 LINEARE, ZEITDISKRETE REGELUNGSENTWUERFE 93
5.1.1 ALLGEMEINER, LINEARER REGLER 94
5.1.2 VERZOEGERUNGSFREIE, BEOBACHTERGESTUETZTE ZUSTANDSREGELUNG 95
5.1.3 ENTWURF EINES STOERGROESSENBEOBACHTERS 100
5.2 REGELUNG AUF BASIS DER INPUT/OUTPUT-LINEARISIERUNG 101
5.2.1 ALLGEMEINER ANSATZ ZUR COMPUTED TORQUE CONTROL 102
5.2.2 ERHOEHUNG DER ROBUSTHEIT DURCH DEN EINSATZ NICHTLINEARER BEOBACHTER
. . 103
5.2.3 ADAPTIVE REGELUNG 105
5.3 NEURONALE MODELLPRAEDIKTIVE REGELUNG 108
6 ZU REGELUNGSKONZEPTEN AUF BASIS DER GEMESSENEN FUSSREAKTIONSKRAEFTE 115
6.1 REGELKREISANALYSE AM VEREINFACHTEN MODELL 117
6.2 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICKE 121
7 TREPPENERKENNUNG UND EINFACHE NAVIGATION 122
7.1 ERKENNUNG DER TREPPENCHARAKTERISTIK 123
7.2 GENERALISIERTE HOUGH TRANSFORMATION ZUR OBJEKTERKENNUNG 127
7.3 ABLAUFSTEUERUNG DURCH ENDLICHEN AUTOMATEN 129
8 ZUSAMMENFASSUNG, DISKUSSION UND AUSBLICK 132
A MECHANISCHES MODELL DES ROBOTERS BART-UH 139
VII
B MIKROCONTROLLER UND SENSOREN VON BART-UH 145
B.L MIKROCONTROLLER MPC555 145
B.2 INKREMENTALENCODER & INFRAROT-ABSTANDSSENSOREN 147
B.3 KRAFTSENSOREN 147
B.4 STEREO-KAMERAMODUL 149
B.5 FUNKMODUL ZUR INTER-ROBOTER-KOMMUNIKATION 149
C BIOLOGISCH INSPIRIERTE BAHNPLANUNG 152
D RADANGETRIEBENER ROBOTER HOMER 156
E ZU PRUNINGVERFAHREN AN KUENSTLICHEN NEURONALEN NETZEN 162
E.L MULTILAYER PERCEPTRON NETS (MLP-NETZE) 163
E.2 ADAPTION DER NETZTOPOLOGIE 166
F DEFINITIONEN UND BEWEISE 175
LITERATURVERZEICHNIS 181
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