Pályatervezési és mozgásirányítási algoritmusok fejlesztése mobil robotokhoz
A mobil robotok manapság egyre inkább feltörekvőben vannak. Már nem csak az ipar fedezi fel őket, hanem lassan a mindennapi életünk részévé válnak. Azonban még rengeteg elméleti és gyakorlati kérdés vár megoldásra, hogy az ilyen robotokkal rendszeresen találkozzunk. A mobil robotika egyik legalapvetőbb kérdése az akadályok jelenlétében történő mozgástervezés és mozgásvégrehajtás. A dolgozatban ezt a kérdéskört járjuk körül, foglalkozunk a globális és lokális geometriai pályatervezéssel, pályamenti sebességprofil kialakításával, valamint pályakövető szabályozással. Ezeket két, síkban mozgó, kerekeken guruló robotmodellre alkalmazzuk, mint szimulált, mint valós környezetben.
A dolgozatban bemutatjuk a leggyakrabban használt pályatervezési algoritmusokat, és az ezekhez kapcsolódó előnyöket és problémákat. Külön kitérünk az általunk vizsgált (differenciális és autószerű) robotmodelleknél felmerülő kinematikai korlátozásokra, és ezek hatásaira a pályatervezésben. Egy approximációs pályatervezési megközelítést mutatunk be a dolgozatunkban, amely egy globális és egy lokális tervező algoritmus együttes használatán alapszik.
Az általunk alkalmazott RTR (Rotate-Translate-Rotate) globális tervező a szakirodalomból jól ismert RRT (Rapidly Exploring Random Trees) eljáráson alapul. Az RTR lényege, hogy a kiindulási és a cél konfigurációból két topológiai fát épít, és amennyiben ezek elérik egymást, a keresett pálya könnyedén előállítható. A pálya forgásokból (R) és transzlációs mozgásokból (T) áll, így differenciális robotok számára közvetlenül is végrehajtható pályát eredményez. További lényeges tulajdonsága, hogy figyelembe veszi a robot pontos alakját. Ez hatékony tervezést tesz lehetővé szűk folyosókat tartalmazó környezet esetén is, szemben az elterjedtebb, a robot alakját körrel helyettesítő módszerekkel.
A megtervezett geometriai pálya még nem tartalmaz információt a mozgás időparaméterezésére (a robot sebességére, gyorsulására vagy szögsebességére) nézve. Ezért bemutatunk egy általunk kifejlesztett algoritmust a pályamenti sebességprofil meghatározására. Ezt a profilt a robot maximális sebessége, maximális gyorsulása, maximális szögsebessége és a robot kerekeinek maximális gyorsulása alapján számoljuk ki. Az így kialakuló pályát ezután újramintavételezzük, hogy időben egyenletes mintavételű pálya álljon rendelkezésre pályakövető szabályozás számára.
A pályakövető algoritmus a robot pályamenti sebességét és a szögsebességét függetlenül szabályozza. A szétcsatolt rendszer sebesség és szögsebesség beavatkozó jeleit a robot kinematikai egyenletei alapján átalakítjuk keréksebesség beavatkozó jelekre. A sebesség-szabályozási kör a robot tényleges pozíciója alapján egy PD szabályozón keresztül korrigálja az előírt sebességprofilt. A szögsebesség-szabályozás egy mozgás közbeni orientáció korrekciót hajt végre, melynek alapját a robot későbbi előírt pozíciói képezik.
A fent leírt algoritmusokat differenciális robotmodellt feltételezve alakítottuk ki. A dolgozatban bemutatjuk azokat a módosításokat, illetve kiegészítéseket, amelyek lehetővé teszik a pályatervezést és követést autószerű (kormányzott) robotok esetében is. Ennek keretében bemutatjuk a C*CS lokális pályatervező algoritmust, amely az RTR algoritmussal együtt alkalmazva olyan pályát eredményez, amely figyelembe veszi az autó minimális fordulási sugarát.
Az algoritmusokat a V-REP robotszimulációs környezetben implementáltuk és teszteltük, majd működésüket két valós roboton is vizsgáltuk.
szerzők
-
-
Csorvási Gábor
villamosmérnöki
nappali
konzulens
-
Kiss Domokos
tanársegéd, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék