praktikum „mobile roboter“ roboter „profi“ gruppe a · 2011-03-28 · praktikum „mobile...
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Praktikum „Mobile Roboter“Roboter „Profi“Gruppe APatrick Fleischmann Jonas MitschangRobert Becker Marcel ZimmerThomas Pfister Luc Heischbourg
TU KaiserslauternFebruar 2007
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Hardware
Verkürzung des Roboterchassis um 5cm um die Beweglichkeit des Roboters zu verbessern
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Hardware
Teilweise Tieferlegung der oberen Plattform zu besseren Unterbringung des Mini-PC und der Akkus, sowie zur Verlagerung des Schwerpunktes
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IR-Sensoren - Hardware
Short-Range IR-Sensoren, Long-Range IR-Sensoren
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Hardware
Mini-PC
Kamerasystem
DSP-Boards
Akkus
P.R.O.F.I.Profi
RobotObservation andForkliftingIndividual
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Übersicht
SensorsAuswertung TasterAuswertung IR-SensorenOdometrie
Camera
Objekterkennung
Mapping
Aufbau globaler Karte
GUIDarstellung KarteDarstellung ParameternEingaben
VehicleControlWegfindungKollisionsvermeidungHardwareansteurerung
MasterControl
Verhaltenssteuerung
ForkControl
Ansteuerung Gabelhw.
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Camera
Camera
Objekterkennung
Mapping
Aufbau globaler Karte
BlackboardMapObjectType type; float pos1_angle; float pos1_distance; float pos2_angle;
float pos2_distance;
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Kamerasystem / „Omnivision“ - Camera
• Technik– Indirektes Kamerabild über
Spiegelung an einer Kugel (Suppenkelle)
– Auflösung 640x480 Pixel– 1 Bild/s– „automatisierter“
Weißabgleich durch weiße Fläche um die Kamera
• Vorteile– größeres Sichtfeld in alle
Richtungen
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Kamerasystem / „Omnivision“(2) - Camera
• Nachteile– Verzerrungen durch
Verarbeitungsfehler / Verschmutzungen des Reflektors
– Reflektor nicht kugelförmig– geringere Auflösung (als nach
vorne gerichteter Ansatz)– Komplexere Berechnungen– Ausrichtung, Befestigung,
Justierung aufwändig und fehleranfällig
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Abstandskalibrierung - Camera
• Aufnahme eines Punkterasters (25x25cm)
• Markieren der Punkte mit Einlesen des Radius (Abstand Rasterpunkt – Roboter)
x y distance411 225 25487 231 50531 232 75556 233 100571 234 125409 132 35
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Abstandskalibrierung (2) - Camera
• 3D-Interpolation der Punktematrix mit Matlab
vorgerechnete Abstandswerte
• Vorteile– Keine „Berechnungen“ zur
Laufzeit– geringer
Speicherverbrauch (300KB)
• Nachteile– Fehler bei der
Interpolation
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Vorversuche (1) - Camera
Oben:Kantendetektion mittels
Canny-Algorithmus zur Kantenextraktion
Unten:Entzerrung des Kamerabildes(Versuch)
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Lastobjekt-, Baseerkennung - Camera
• Einsatz von CMVision-Funktionen (getRegions) zur Lastobjekt-, Basen- und Gegnererkennung
• Mehrere Modifikationen:– Ignorieren kleiner Bereiche– Zusammenfassen kleiner
benachbarter Bereiche
• Übergabe der Objekte in Polarkoordinaten an die Karte (Mapping)
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Wanderkennung - Camera
• Bounding Boxes nicht ausreichend (versperrte Wege, nicht erreichbare Lastobjekte)
• „Strahlenalgorithmus“– Erkennung einzelner
Randpunkte der Wand– verbinden der Punkte zu einem
Liniensegment– Erzeugung eines neuen
Liniensegments, falls kritischer Winkel überschritten wird
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Wanderkennung (2) - Camera
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Seitenwanderkennung - Camera
• Notwenig um Objekte außerhalb der Seitenwände zu ignorieren
• Begrenzung des Spielfeldes zu ermitteln
• Problem:– Lichtreflexionen auf dem
Boden– Abstandsberechnung weit
entfernter Objekte extrem ungenau (+-20cm)
Seitenwand instabil in der Karte
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Seitenwanderkennung (2) - Camera
• Deshalb:– Beschränkung auf das
Verwerfen der Objekte hinter den Seitenwänden
• Effiziente Implementierung durch destruktives Arbeiten auf dem Bild– Reduziert CMVision-
Aufwand
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Mapping
SensorsAuswertung TasterAuswertung IR-SensorenOdometrie
Camera
Objekterkennung
Mapping
Aufbau globaler Karte
GUIDarstellung KarteDarstellung ParameternEingaben
VehicleControlWegfindungKollisionsvermeidungHardwareansteurerung
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Globale Karte - Mapping
• Vorteile– „souveränes“ Navigieren
auf dem Spielfeld– komplexe Bewertung des
Umfelds– leichte Wiedererkennung
von Objekten• Nachteile
– Große Probleme bei ungenauer Odometrie
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Erstellen der absoluten Karte - Mapping
• Kamera liefert Polarkoordinaten relativ zum Roboter• Umrechnung in absolute karthesische Koordinaten:
– pabs = (αrel + α blickrichtung, d).toCartesian() + proboter
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Erstellen der Karte: Pömpel - Mapping
• Wiedererkennungsradius: 20 cm• Aktualisieren des Alters• Nach 3s: Entfernen des Objekts• Ignorieren von Lastobjekten:
– auf den Basen– auf der Gabel
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Erstellen der Karte: Basen - Mapping
• Basen weit auseinander• Feste Position auf Karte• Gute Erkennung durch Kamera
– Wiedererkennungsradius groß: 1m– Eigene Basis
• Wird sicher erkannt• Unbegrenzte Lifetime
– Lifetime gegnerische Basis: 15s
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Darstellung der Karte - Mapping
• Basen– Implementierung gefüllter Kreise für das MCA
GeometryBackboard– Farbliche Unterscheidung
• Pömpel– Implementierung von Textausgabe für das MCA
GeometryBackboard– Anzeige von ID, Rating und Alter– Ausblenden sterbender Pömpel
• Hindernisse• Wegpunkte mit A* Graph• Roboter
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MasterControl
GUIDarstellung KarteDarstellung ParameternEingaben
VehicleControlWegfindungKollisionsvermeidungHardwareansteurerung
MasterControl
Verhaltenssteuerung
ForkControl
Ansteuerung Gabelhw.
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Zustände - MasterControl
• Vereinfachtes Zustandsdiagramm
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Drive Modes - MasterControl
• Verschiedene „Fahr-Modi“:– DRIVE_MODE_STOP: Stop– DRIVE_MODE_GOTO_OBJ: Fahre Objekt an– DRIVE_MODE_GOTO_XY: Fahre Koordinaten an– DRIVE_MODE_CUSTOM_DRIVE: Direkte Steuerung (Joystick)– DRIVE_MODE_ROTATE: Drehe um relativen Winkel– DRIVE_MODE_DISTANCE: Fahre bestimmte Stecke geradeaus– DRIVE_MODE_ROTATE_TO_YAW: Drehe auf absoluten Winkel
• Parameter über zusätzliche Kanten
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Auf der Suche nach Pömpeln - MasterControl
• Dank Omnivision Erkennung nahezu aller Pömpel• Bewertung:
– Anzahl fehlgeschlagener Anfahrversuche (CollisionAvoidance)
– Alter des Lastobjekts– Entfernung vom eigenen Roboter– Nähe zum Gegner– Entfernung zu Hindernissen
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VehicleControlSystem (VCS)
Mapping
Aufbau globaler Karte
VehicleControlWegfindungKollisionsvermeidungHardwareansteurerung
MasterControl
Verhaltenssteuerung
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Bahnplanung - VCS
• Aufbau eines Sichtbarkeitsgraphen• Suchen des kürzesten Weges durch den A*-
Algorithmus• Abfahren der einzelnen Wegpunkte• Kollisionsvermeidung durch „Obstacle-Avoidance“
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Sichtbarkeitsgraph - VCS
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Sichtbarkeitsgraph - VCS
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Sichtbarkeitsgraph - VCS
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Sichtbarkeitsgraph - VCS
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Sichtbarkeitsgraph - VCS
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A Star - VCS
• Der A*-Algorithmus dient der Berechnung des kürzesten Weges zwischen zwei Knoten in einem kantengewichteten Graphen.
• Der A*-Algorithmus basiert auf einer zweiteiligen Auswertefunktion für jeden Knoten. Die Auswertefunktion setzt sich aus der Wegstrecke zum Startknoten und einer Schätzfunktion für die zu erwartende kürzeste restliche Wegstrecke zusammen.
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Bahnsteuerung - VCS
distance < 3cm
velocity := 0angularvelocity := 0
request new Waypoint
yawReached == truerotateToYaw
yaw < 0,1
yawreached := true
yawReached := false
yaw > 0,05
angularVelocity := 0.15angularVelocity := 0
distance > 8cm
yaw < 0.4
yawReached :=false
velocity := 0,5velocity := 0,2
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37
Bahnplanung - VCS
• Vorteile– finden des kürzesten
Weges– Voraussagen ob der
Zielpunkt erreichbar
• Nachteile– weniger geeignet für
dynamische Umgebungen– nicht immer schnellster
Weg
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Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit!
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Outtakes - Anhang
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IR-Sensoren (Kalibrierung) – Anhang
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0100020003000400050006000700080009000
10000110001200013000140001500016000170001800019000