Entwicklung einer Bewegungssteuerung für das autonome Kettenfahrzeug Rumbler

Entwicklung einer Bewegungssteuerung für das autonome Kettenfahrzeug Rumbler

Aufgabenstellung

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Implementierung einer Bewegungssteuerung für die Roboterplattform. Dazu musste das System, nach den zuvor bereits erfolgten Umbaumaßnahmen, erstmalig wieder in Betrieb genommen werden. Damit verbunden war auch die Fehleranalyse und -beseitigung. Nach der Wiederinbetriebnahme sollte eine gründliche Analyse des Systems durchgeführt werden. Die dabei entstandenen Beschreibungen für die Teilsysteme der Roboterplattform sollten auch dazu dienen, um aufgetretene Dokumentationslücken zu schließen. Nach Abschluss der Analyse wurden zusätzliche Teilziele definiert, um dadurch die Funktionalität der Plattform zu verbessern. Abschließend wurde dann der Algorithmus für die Bewegungssteuerung entwickelt und implementiert. Dieser wurde in den bestehenden Zustandsautomaten des Logic-Subsystems integriert und sollte die zielgerichtete Erkundung einer unbekannten Umgebung ermöglichen. Die Grundvoraussetzung für die effiziente Erkundung einer unbekannten Umgebung ist die intelligente Bestimmung des nächsten Erkundungsziels. Dies ist auch die Hauptaufgabe des Algorithmus. Die Aufzeichnung der Umgebungskarte wird dabei durch den bereits implementierten FastSLAM-Algorithmus übernommen. Die Navigation der Plattform zu einem festgelegten Zielpunkt wurde in einer parallel statt findenden Arbeit verbessert.



Durchhrung


Die Arbeit beschreibt die Wiederinbetriebnahme des Systems einschließlich der Fehleranalyse und -behebung. Weiterhin werden die Arbeitsergebnisse bei der Systemanalyse und die daraus abgeleiteten Teilziele für die Weiterentwicklung thematisiert. Abschließend wird der entwickelte und implementierte Erkundungsalgorithmus erläutert.

Fazit


Die vorliegende Masterarbeit befasste sich mit der Entwicklung einer Bewegungssteuerung für die Roboterplattform FTW-TV5 "Rumbler". Aufgabenstellung war es, die Roboterplattform nach ihrem vorausgegangen Umbau wieder in Betrieb zu nehmen, um anschließend eine Bewegungssteuerung zur autonomen Erkundung von unbekannten Bereichen zu entwickeln. Zusammenfassend lässt sich ein positives, aber nicht immer zufriedenstellendes Fazit ziehen. Die Inbetriebnahme der einzelnen Subsysteme konnte zügig abgeschlossen werden. Bei der anschließenden Analyse der Roboterplattform wurden bereits erste Probleme identifiziert und Lösungsvorschläge erarbeitet. Diese wurden bei der Festlegung und Ausplanung der weiteren Feinziele berücksichtigt. Durch die Erweiterungen an den Teilsystemen konnten beachtliche Fortschritte beobachtet werden. Nach dem Einrichten einer einheitlichen Code-Basis konnten alle Weiterentwicklungen parallel auf zwei unterschiedlichen Systemen und im Rahmen separater Arbeiten getestet werden. Durch die Verwendung des Gyroskops wurde die Odometrie des Fahrzeugs enorm verbessert, sodass erstmalig exakte Umgebungskarten ohne manuelle Nachbearbeitung erstellt werden konnten. Der erstellte Erkundungsalgorithmus ermöglicht die zielgerichtete und effiziente Erstellung einer Umgebungskarte im Rahmen einer autonomen Erkundungsfahrt. Es bleibt allerdings festzuhalten, dass bei der Durchführung der Fortbewegung und dem exakten Erreichen von Wegpunkten noch Entwicklungsbedarf besteht.

Ausblick


Für Weiterentwicklung der Roboterplattform FTW-TV5 "Rumbler" konnten verschiedene, voneinander unabhängige, Ansatzmöglichkeiten identifiziert werden: Primär sollte der Fokus auf das Drive-Subsystem gelegt werden. Zur Optimierung des Systems können zwei, im Entwicklungsaufwand stark verschiedene, Ansätze in Betracht gezogen werden. So könnte das System die fehlerbehaftete Odometrie durch Abfrage der Gyroskop-Informationen über den CAN-Bus optimieren. Dadurch sollten bereits signifikante Verbesserungen während der autonomen Fortbewegung erreichbar sein. Der zweite Vorschlag sieht die vollständige Überarbeitung des Teilsystems vor. Ein weiterer Ansatzpunkt ist das bereits relativ leistungsfähige, aber durch den SLAM-Algorithmus teilweise überforderte, Logic-Subsystem. Das Odroid-XU, als derzeit wahrscheinlich leistungsfähigstes Embedded System auf Basis der ARM-Architektur, könnte die Berechnungen deutlich beschleunigen. Das Cyclone V SoC Hard Processor System könnte den FastSLAM-Algorithmus eventuell in seinem FPGA realisieren und somit gleichzeitig die Berechnung beschleunigen und den Prozessor entlasten. Unter Berücksichtigung der Vorgehensweise anderer Forschungsinstitute könnte auch ein kompletter Systemwechsel zur x86-Plattform in Betracht gezogen werden.

 

Sascha Albrecht, August 2013

nachbearbeitet Prof. Dr.-Ing. F. Englberger