Analyse und Realisierung einer Bewegungssteuerung für ein autonom agierendes Radfahrzeug

Analyse und Realisierung einer Bewegungssteuerung für ein autonom agierendes Radfahrzeug

Das Einsatzspektrum der Roboterplattformen des Instituts 4 für Daten und Schaltungstechnik der Fakultät für Elektrotechnik und Technischen Informatik (ETTI) umfasst Rettungs- und Aufklärungsmissionen in schwer zugänglichen Gelände. Für dieses Anwendungsgebiet muss eine Bewegungssteuerung im Wesentlichen zwei Betriebsmodi abdecken. Der erste Modus sieht ein autonomes Erkunden von unbekanntem Gelände vor, bei dem eine möglichst detaillierte Umgebungskarte erstellt werden muss. Der zweite Modus behandelt die autonome Navigation in bekanntem Gelände mit vorhandener Karte. Dies erfordert eine Bewegungsplanung und Trajektorienverfolgung mittels Fahrbefehlen. Die Entwicklung einer derartigen Bewegungssteuerung umfasst dabei die Teilgebiete Kartenerstellung, Lokalisierung des Roboters innerhalb der Karte, Wegfindung und Steuerung des Roboters mit Hilfe einer Logik.
Gleichzeitige Kartierung und Lokalisierung ist eines der grundlegendsten Probleme im Bereich Robotik, das unter dem Namen SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) bekannt ist. SLAM-Algorithmen versuchen aus fehlerbehafteten Sensorinformationen die U gebung durch eine Karte bestmöglich zu repräsentieren und gleichzeitig die Position des Roboters in dieser Karte zu bestimmen.
Auf der erzeugten Karte des SLAM-Algorithmus basiert die Wegfindung. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Belegtheitskarte. Eine Belegtheitskarte ist ein Raster, dessen Gitterzellen die jeweiligen Karteninformationen enthalten. Für diese Art von Karten ist der Theta*-Algorithmus besonders geeignet, da er den kürzest möglichen Weg zwischen zwei Gitterzellen findet.
Die Steuerung des Roboters muss von einer übergeordneten Logik koordiniert werden. Die Aufgabe der Logik besteht darin, den jeweiligen Betriebsmodus zu erfassen und mit Hilfe der Algorithmen zu bewältigen.
Des Weiteren ist bei der Entwicklung einer komplexen Steuersoftware auf einen modularen Aufbau des Programmcodes zu achten. Dies bedeutet, die Schnittstellen zwischen Logik und den Algorithmen klar zu definieren und entsprechende Zugriffsfunkionen bereit zu stellen. Dadurch wird eine hohe Wiederverwendbarkeit der Software, beispielsweise zur Verwendung auf verschiedenen Roboterplattformen des Instituts 4, gewährleistet.
Aufgabenstellung dieser Masterarbeit ist die Analyse und Realisierung einer Bewegungssteuerung
für das autonom agierende Radfahrzeug FTW-4WD4 „Panda“. Dabei gilt es, folgende Aufgaben zu lösen:

• Integration des GMapping-Algorithmus zur Lösung des SLAM Problems
• Anwendung und Optimierung des Theta*-Algorithmus zur Wegfindung
• Reorganisation der Logik zur Steuerung des Roboters
• Implementierung eines Fahrmodells zur universellen Verwendung der Logik
• Sicherstellung der Funktionsweise beider Betriebsmodi
• Entwickelung eines Erkundungsalgorithmus
• Definition von Schnittstellen zum modularen Aufbau des Programms
• Sicherstellung der Kommunikation aller Subsysteme inklusive Bedienerprogramm

Das Kapitel Grundlagen beschreibt zunächst den technischen Stand der Roboterplattform FTW-4WD4 „Panda“, sowie den theoretischen Hintergrund der verwendeten Algorithmen. Außerdem werden die zur Entwicklung eingesetzten Programme aufgezählt. Das nächste Kapitel fokussiert sich auf die Realisierung der Bewegungssteuerung. Dazu
gehört eine Erläuterung der getätigten Modifikationen an den Subsystemen der Roboterplattform, um eine Entwicklung der Steuersoftware vorzubereiten. Des Weiteren wird die Integration des GMapping-Algorithmus beschrieben, sowie dessen notwendige Anpassung und Optimierung zur Verwendung innerhalb der Roboterplattform. Die zusätzliche Entwicklung von Schnittstellen, um Zugriff auf Karte und Position in der Karte des GMapping-Algorithmus zu erhalten, ist ebenfalls Teil dieses Kapitels. Weiterhin wird auf die Optimierung des Wegfindungsalgorithmus eingegangen. Anschließend folgt die Beschreibung des Aufbaus der Steuersoftware. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels wird der Mechanismus der Logik zur Steuerung des Roboters behandelt. Dazu zählt die Implementierung eines charakteristischen Fahrmodells, sowie die Beschreibung der Umsetzung der geforderten Fahrmodi einschließlich des zugehörigen Erkundungsalgorithmus.
Das Ergebnis der vorliegenden Masterarbeit wird im anschließenden Kapitel diskutiert. Dort sind alle getätigten Schritte zur Integration der Steuersoftware in die Roboterplattform geschildert. Außerdem werden die Optimierungsmaßnahmen des GMapping-Algorithmus analysiert. Abschließend folgt eine Bewertung der entwickelten Bewegungssteuerung und daraus abgeleitete, notwendige Einschränkungen, um einen fließenden
Bewegungsablauf zu erreichen.
Eine korrekte Funktionsweise der Bewegungssteuerung kann in vielen Fahrversuchen und wechselnden Umgebungen bestätigt werden. Für Weiterentwicklungen an der Bewegungssteuerung bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Eine Integration weiterer Fahrmodelle für andere Roboterplattformen des Instituts 4 oder aber die Erweiterung der Bewegungssteuerung durch Verwendung ergänzender Sensorik sei hier nur beispielhaft
aufgeführt.

 

 

Alexander Lang, August 2015

Kartierung, Lokalisierung
und Wegfindung

Subsystemaufteilung der Roboterplattform FTW-4WD4 "Panda"

Subsystemaufteilung der
Roboterplattform