Entwicklung einer Bewegungssteuerung für autonome gelenkte Radfahrzeuge

Entwicklung einer Bewegungssteuerung für autonome gelenkte Radfahrzeuge

Aufgabenstellung

Ziel dieser Abschlussarbeit war die Entwicklung und Implementierung einer für gelenkte Radfahrzeuge geeigneten Steuerung zur autonomen Navigation. Die Bewegungssteuerung
umfasst neben dem Teilproblem der Kartenerstellung, Lokalisierung des Fahrzeugs in einer Karte sowie derWegfindung auch den Entwurf einer Logik. Die identifizierten Anwendungsfälle sind durch diese Logik zu erfassen und durch die Algorithmen zu bewältigen. Dabei spielen insbesondere die Informationsauswertung der Sensordaten in nahezu Echtzeit und die Überwachung der Fahrbefehle zur Pfadverfolgung eine große Rolle. Plötzlich auftretende Hindernisse auf der Trajektorie, die durch die Kartenerstellung nicht erfasst werden konnten, sind beispielsweise durch die Logik abzudecken, indem ein möglicher Alternativpfad berechnet wird und die Steuerbefehle angepasst werden. Um die zukünftige Weiterentwicklung und Wiederverwendbarkeit einer allgemeinen Bewegungssteuerung für verschiedene Roboterplattformen zu ermöglichen, wurde ein Konzept zur Realisierung von plattformspezifischen Fahrmodellen erarbeitet. Diese Trennung und der damit verbundene modulare Aufbau des Programmcodes gewährleistet eine kontinuierliche Einheitlichkeit der allgemeinen Bewegungssteuerung. Primärer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Umsetzung eines solchen Fahrmodells für die Roboterplattform FTW-2WD „BobbyCar“.


Durchführung

Die Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Anpassung einzelner Subsysteme einschließlich der Optimierung der Softwareprojekte sowie den Aufbau der erstellten Steuersoftware. Weiterhin werden einzelne Konzepte und Funktionen des Fahrmodells für die Roboterplattform FTW-2WD „BobbyCar“ erläutert.


Fazit

Die vorliegende Masterarbeit befasste sich mit der Entwicklung einer Bewegungssteuerung für die Roboterplattform FTW-2WD „BobbyCar“. Aufgabenstellung war es, die Nutzungsanforderungen der autonomen Navigation in bereits bekannten Gebieten mit vorhandener Karte und der autonomen Erkundung und Interaktion mit der Umgebung zu erfüllen. Grundlage hierfür bildet ein spezifisches Fahrmodell der Roboterplattform, welches es zu entwickeln und zu implementieren galt.
Zusammenfassend konnten durch zahlreiche Fahrversuche die möglichen Einsatzszenarien und die korrekte Funktion der Bewegungssteuerung gemäß den Anforderungen bedingt bestätigt werden. Die Positionierung der Roboterplattform innerhalb einer
bestehenden Karte zeigt während der Fahrbewegung, speziell bei Kurvenfahrten, relativ große Abweichungen zur eigentlichen Position. Die Ursache hierfür konnte in den fehlerbehafteten Bewegungsvektoren gefunden werden. Das aktuelle Drive Subsystem
verfügt bei der Streckenmessung eine nur geringe Auflösung des Sensors von ca. 11,5 mm pro Teilschritt. Zusätzlich müssen Sprünge bei der Streckenmessung mithilfe eines Tiefpasses unterdrückt werden. Da bei der Berechnung des Bewegungsvektors die zurückgelegten Entfernungen in die Orientierung des Fahrzeugs einfließen, führt diese Ungenauigkeit zu einer ungewollten Fehlerfortpflanzung. Der verwendete FastSLAM-Algorithmus
ist dann nicht mehr in der Lage, die aktuelle Position des Roboters korrekt zu bestimmten.
Die ermittelten Wegpunkte werden durch das Fahrmodell korrekt adaptiert und als Steuerbefehle an die Plattform gesendet. Dabei konnte zudem die Ausführung der Funktion zur Pfadkorrektur evaluiert und bestätigt werden. Die Erkennung von statischen und dynamischen Hindernissen innerhalb der definierten Schutzzone wurde durch Testfahrten in einem speziell aufgebauten Parkour sichergestellt.


Ausblick

Für die Weiterentwicklung der Roboterplattform FTW-2WD „BobbyCar“ gibt es verschiedene Ansatzmöglichkeiten.
Im Rahmen der Subsysteme müssen unbedingt die Drive Subsystem Controller „STEERING“ und „DRIVE“ zur Sicherstellung einer exakten Bewegungssteuerung überarbeitet werden. Der bereits integrierte Drive Subsystem Controller einschließlich des Motortreibers aus der Roboterplattform FTW-TV5 „Rumbler“ kann hierzu die Aufgaben dieser beiden Controller vereinen. Dazu müssen jedoch zusätzliche Schnittstellen in das Drive Subsystem integriert werden. Hierfür wurde eine erste Konzeption entwickelt. Bei der Entwicklung der Bewegungssteuerung sind mögliche Erweiterungen identifiziert worden. Dazu zählt u. a. eine Verbesserung der Positionsbestimmung bei Kurvenfahrten durch den Einsatz eines Gyroskops oder des vorhandenen Kompasses. Des Weiteren sollte die Rechenleistung des Logic Subsystems zur Verwendung mehrerer Partikel erhöht werden. Die Planung von Kurvenmanövern anhand der aufgezeichneten Laserinformationen, der Ultraschallsensoren und des SLAM-Algorithmus kann durch die Entwicklung eines zusätzlichen Tools optimiert werden.

Peter Baudy, September 2012