Gerald Steinbauer
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Konstruktion Mobiler Roboter, PR, WS08
Konstruktion Mobiler RoboterEinführung Hardware
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Agenda
• vorhandene Hardware• Roboter & Antriebe• Sensoren• Manipulatoren
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Pioneer 3DX Allgemein
• Hersteller ActivMedia Robotics(www.mobilerobots.com)• meist verkaufte Forschungs-
Plattform weltweit• Differential Drive• 1.2 m/s Höchstgeschwindigkeit• unterstützt durch viele
Bibliotheken, Simulatoren, Tools
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Differential Drive
R
D
V
WWL WR
DRR
RRV
lr
lr
ωωω
ωω
+=
+=
2
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Momentanpol-Kinematik
R
L
VDL
VDL
VL
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=
2
2
ω
ω
ω
V
W
Mp
L
VRVL
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Pioneer 3DX Odometry
• Pioneer liefert Odometry• gefahrener Weg des Roboters (Δs/Δφ)• geschätzte Geschwindigkeit (vr,vl oder v, ω)• Wheel-Encoder pro Rad• inkrementeller Sensor• akkumulierte Fehler• Koordinatentransformation
für globale Koordinaten
ϕΔ+Θ=ΘΘΔ+=ΘΔ+=
+
+
+
tt
ttt
ttt
syysxx
1
1
1
sincos
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Pioneer 3DX Status Roboter
• Stall– Motor blockiert
• Batterie– Spannung– Ladezustand
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Pioneer 3DX Stromversorgung
• 12 V Blei-Gel Akkus• bis zu 3 Packs• einige Stunden Laufzeit• 12 Stunden für Recharge• Ladegeräte oder Docking-Station (nur 3DX)• 12 V/5 V Versorgung für zusätzliches Equipment
– stabilisiert und unstabilisiert– extra schaltbar
• Spannungskonverter 12 V auf 24 V vorhanden
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Pioneer 3 Sonar
• Ultraschall-Abstandssensoren• 2 Gruppen â 8 Sensoren
(links, 6 x 20 °, rechts)• Time of Flight Messung• Reichweite 15 cm - 5 m• großer Öffnungswinkel (30 °)• Probleme: Cross-Talk und
Rauschen• gut geeignet für Hindernis-
vermeidung
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Pioneer 3DX Steuerung
• Onboard-Microcontroller– Hitachi HS8 – ARIA-API/proprietäres Protokoll– steuert nur low-level Aktoren/Sensoren/IOs– RS-232 Schnittstelle zum Host– einige interne On-board Test-Routinen– Interne Erweiterungsteckplätze vorhanden (RS232)
• Notebook random– High-Level Steuerung– Ubuntu Linux– SW-Pakete/Tools installiert– Serielle Schnittstelle – Roboter (ttyS0)– USB-Serial-Converter 4-fach – Laser… (ttyUSB0..3)
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Pioneer 3DX IOs
• durch Mikrokontroller gesteuert• eigener API-Befehl• Outputs
– 8 digital Ausgänge (TTL)– einige intern verwendet (Gripper,…)
• Inputs– 8 digitale Eingänge (TTL)– 8 analoge Eingänge (0-5V, 8 Bit Auflösung)– einige intern verwendet (Batterie,…)
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Pioneer 3DX Operation Panel
• Statusanzeige– Batterie (grün-orange-rot)– serielle Verbindung
• Motorschalter– Freigabe der Motoren
• Schalter für zusätzliche Spannungsversorgungen– AUX1– AUX2
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Pioneer 3AT Basics
• gleiches Onboard-Controller wie Pioneer DX3
• 4WD Differential-Drive mit je 2 gekoppelten Rädern
• Outdoor-tauglich– Wiese– Schotter– Steigungen
• keine Docking Station• getrennte Batterie-Sätze für
random und wonko(auf Anschlüsse achten)
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Pioneer 3AT Basics
• gleiche Onboard-Sensorik wie Pioneer DX3
– Odometry– Stall– Sonar
• Motor-Notaus-Schalter !!!• Notebook wonko• fixier Montage-Aufbau• vorbreitet für den Pioneer Arm
– Spannungsversorgung– Kontrollbox– Firmware
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Krikkitγ Basics
• Eigenbau Mostly Harmless• RoboCup Middle Size• Omni-Drive
– dr, ds, dphi
• Embedded PC– Debian Linux
• Pnematik-Kicker– 200 bar Druckflachen– besser keine Finger davor
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Krikkitγ Sensorik
• Omni-Kamera– Firewire– bis 1024 x 768 @ 20 Hz– 360° Blick– Kamera-Spiegel Anordnung
• Odometry– 3 Wheel Encoder– variable Frequenz– dr, ds, dphi
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Krikkitγ Kinematik
Rlv
R
vlv
R
vlv
xC
yx
B
yx
A
ωω
ωω
ωω
22
232
22
232
22
−−=
+−=
−−=
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Robotik Wireless Network
• Wireless Network B-Standard• nur für Robotik-Anwendungen• privates Netz 192.168.3.xx• SSID Mostly_Harmless, kein Schlüssel nötig• Services von/nach Außen
– Routing über das Institut– Linux Updates – secure shell (Firewall IST)
• innerhalb des Netzes sind alle Service offen• gesamtes Lab in der Brückenkopfgasse• Übungsrechner im Labor, Roboter Notebooks
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Sick LMS 200
• Laser RangeFinder (4,5 kg)• Laser Laufzeit Messung (rotierender Spiegel)• eine Scan-Ebene
– 180 ° oder 110 ° Scans– 0.25°, 0.5° oder 1° Auflösung– 8 m Tiefe– bis 75 Hz abhängig von der Schnittstelle
• Schnittstelle– RS232/RS422– 9.6, 19.2, 38.4 oder 500 kBaud– Zeichenorientiertes Protokoll
• Versorgung– 24V (Spannungskonverter nötig), 20 W
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Sick LMS 200
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Sick LD OEM
• Laser RangeFinder (3,2 kg)• Laser Laufzeit Messung (rotierender Spiegel)• eine Scan-Ebene
– n Sektoren, zusammen bis 360 °– m * 0.125 ° Auflösung– 8 m Tiefe– 5 – 20 Hz Rotation
• Schnittstelle– RS232/RS422/CAN/ArcNet– Standard Baudraten– Klartext Protokoll
• Versorgung– 24V (Spannungskonverter nötig), 36W
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Sick LMS100
• Laser RangeFinder (1,1 kg)• Laser Laufzeit Messung (rotierender Spiegel)• eine Scan-Ebene
– 270 ° bis 20 m
• Schnittstelle– RS232/CAN/Ethernet– 115kB, 1MB, 100MB– Klartext Protokoll
• Versorgung– 24V (Spannungskonverter nötig), 11W
• Sicherheitszertifiziert– Schaltausgäne und Encodereingänge
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Stereo Vision• PtGrey Research• Bumblebee 2• Stereo Vision
– intern zwei Kameras– fertig kalibriert– entzerrte Bilder 1024x768
mit 20 Hz– Disparity Map per Software
• Firewire Interface
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Mono Kamera
• Sony• Firewire Interface• gute Farbwiedergabe• bis 640 x 480 Pixel• diverse Subauflösung• diverse Objektive vorhanden
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Firewire Interface
• für die Roboter-Notebooks PCMCIA-Card nötig
• 6 pol. Firewire Stecker groß• für intern versorgte Kameras
12V Spannungsversorgung vom Roboter nötig
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Inertial Sensor
• Lagesensor (yaw, pitch, roll, basierend auf Gravitation und Magnetfeld)• 3-Achsen Beschleunigunssensor(x, y, z)• Drehratensensor (x, y, z)• hohe Framerate (bis > 100 Hz)• merkliche Drift• für Lage- oder Bewegungs-messung• proprietärer Bus (Xbus auf USB)
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GPS
• globale oder lokale Position• Trimble Pathfinder Pro XT• professioneller GPS-Empfänger• Schnittstelle
– RS 232– simples Textprotokoll (NMEA)
• Differential-GPS– Einspielen von Korrekturen möglich– Referenzdaten von Rerferenzstationen
• Multipath-Unterdrückung• externe Antenne
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Pioneer Gripper
• zwei Freiheitsgrade– up/down– open/close– parallele Ausführung
möglich
• zwei Endschalter-Paare– Up/down– open/close (Zange/Objekt)
• nur am Pioneer 3DX• Steuerung
– Simple digitale IOs am Controller
– im Protokoll integriert
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Pioneer Arm
• 6 Freiheitsgrade– 1-5 Arm– 6 Gripper
• nur am Pioneer AT3• geringe Traglast (einige Gramm)• Steuerung
– zusätzliche Steuerungsbefehle im Protokol
– zusätzliche externe Steuerelektronik
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Empfohlene Literatur
• Introduction to Mobile Robots, Buch• Quick Starting Manual Sick LMS 200, online• Operation Manual Pioneer Robot, online• Operation Manual Gripper, online• Operation Manual Pioneer Arm, online
• PDFs zum download auf der Übungs-Webseite
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Cooles Beispiel
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Fragen ?