StudentSká
vědecká konference 2019
Autonomn´ı navigace kolov´eho robota
Josef ˇSvec1
1 ´Uvod
C´ılem t´eto pr´ace bylo sestavit funkˇcn´ı ˇr´ıdic´ı syst´em tak, aby kolov´y robot dojel na m´ısto urˇcen´ı v mapˇe, kterou si s´am vytv´aˇr´ı bˇehem j´ızdy, a sledoval vytyˇcenou trajektorii co nejl´epe. Ke splnˇen´ı tohoto c´ıle bylo nutn´e vyˇreˇsit nˇekolik d´ılˇc´ıch ´ukol˚u. Nejprve bylo potˇreba zkompletovat robotickou platformu a vyˇreˇsit nap´ajen´ı vˇsech souˇc´ast´ı. D´ale bylo nutn´e ˇreˇsit pˇredevˇs´ım ˇr´ızen´ı motor˚u tak, aby se ot´aˇcely poˇzadovanou ´uhlovou rychlost´ı. V dalˇs´ım kroku bylo potˇreba vytvoˇrit model ˇr´ızen´eho robota a n´aslednˇe s vyuˇzit´ım frameworku ROS (Mahtani et al. (2018)) sestavit cel´y syst´em tak, aby plnil zadan´y ´ukol.
2 ˇR´ızen´ı motor˚u
Bylo nutn´e zajistit, aby se motory ot´aˇcely poˇzadovanou ´uhlovou rychlost´ı. Pro ˇr´ızen´ı stejnosmˇern´ych (DC) motor˚u se nejˇcastˇeji vyuˇz´ıvaj´ı PID regul´atory. Jedn´a se o zpˇetnovazebn´ı regul´atory, kter´e vyuˇz´ıvaj´ı mˇeˇren´ı aktu´aln´ı ´uhlov´e rychlosti pomoc´ı enkod´er˚u a podle toho upra- vuj´ı velikost akˇcn´ıho z´asahu. Tento pˇr´ıstup z´asadnˇe ovlivˇnuje pˇresnost a kvalitu regulace (As- trom a Murray (2008)). ˇR´ızen´ı DC motor˚u kolov´eho robota v t´eto pr´aci bylo prov´adˇeno mi- kroˇradiˇcem, takˇze byla vyuˇzita diskr´etn´ı verze PI regul´atoru, jako speci´aln´ıho pˇr´ıpadu spojit´eho PID regul´atoru. Derivaˇcn´ı sloˇzka nebyla vyuˇzita, protoˇze by doch´azelo k zes´ılen´ı ˇsumu mˇeˇren´ı.
3 Model diferenci´alnˇe ˇr´ızen´eho robota
Diferenci´alnˇe ˇr´ızen´y robot je takov´y, kde se nez´avisle pohybuje lev´a a prav´a strana pod- vozku. Zat´aˇcen´ı se prov´ad´ı smykem a robot je schopn´y se otoˇcit na m´ıstˇe. Bylo nutn´e popsat pˇresn´y kinematick´y model, kter´y stanov´ı pozici robota v prostoru (rovinˇe) na z´akladˇe ˇcasov´ych pr˚ubˇeh˚u rychlost´ı kol na jeho lev´e a prav´e stranˇe. ˇR´ızen´ı kolov´ych robot˚u je vˇetˇsinou ˇreˇseno kask´adnˇe. Tento pˇr´ıstup zvyˇsuje celkovou pˇresnost regulace. Niˇzˇs´ı stupeˇn ˇr´ıd´ı poˇzadovanou
´uhlovou rychlost ot´aˇcen´ı kol a vyˇsˇs´ı stupeˇn ˇr´ızen´ı zajiˇst’uje regulaci na poˇzadovanou polohu a orientaci.
4 ROS
Softwarov´y r´amec ROS (Robot Operating System) je v dneˇsn´ı dobˇe velmi rozˇs´ıˇren´ym n´astrojem pro v´yvoj robotick´ych syst´em˚u. Jeho hlavn´ı v´yhodou je pˇrenositelnost mezi r˚uzn´ymi HW platformami. ROS byl vyuˇzit z toho d˚uvodu, ˇze obsahuje velik´e mnoˇzstv´ı hotov´ych bal´ık˚u vhodn´ych pro ˇreˇsen´ı t´eto ´ulohy (Navigation stack, Gmapping (Grisetti et al. (2007))). Pro zpro- voznˇen´ı tohoto v´ykonn´eho n´astroje je potˇreba zn´at pˇresn´y kinematick´y model robota. D´ale je nutn´e pouˇz´ıvat lidar, aby se robot mohl vyhnout pˇr´ıpadn´ym nepˇredv´ıdateln´ym pˇrek´aˇzk´am.
1student bakal´aˇrsk´eho studijn´ıho programu, obor Kybernetika, e-mail: svecpepik@gmail.com
20
5 Experiment´aln´ı testov´an´ı
Mˇeˇren´ı slouˇz´ı k porovn´an´ı napl´anovan´e a realizovan´e trajektorie a d´ale slouˇz´ı k ovˇeˇren´ı dosaˇzen´ı zadan´eho c´ıle. Robot byl postaven pˇred pˇrek´aˇzku (pap´ırov´a krabice) a c´ıl byl um´ıstˇen aˇz za n´ı. Pro zmˇeˇren´ı skuteˇcnˇe realizovan´e trajektorie byl pouˇzit syst´em Vicon. Napl´anovan´a trajektorie lze zobrazit ve vizualizaˇcn´ım n´astrojiRviz(souˇc´ast ROS).
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
−0.8
−0.6
−0.4
−0.2 0 0.2 0.4 0.6
x [m]
y [m]
vicon footprint cil plan
Obr´azek 1:Uskuteˇcnˇen´a trajektorie okolo pˇrek´aˇzky
Robot nalezl trajektorii s nejmenˇs´ı cenou a n´aslednˇe trajektorii realizoval. C´ılov´y bod byl dosaˇzen se zadanou pˇresnost´ı. Pˇrek´aˇzka nebyla poruˇsena.
6 Z´avˇer
V´ysledkem t´eto pr´ace je kolov´y robot, kter´y dojede na m´ısto urˇcen´ı v mapˇe, kterou si s´am vytv´aˇr´ı pomoc´ı algoritmu Gmapping z lidarov´ych a odometrick´ych dat. Pokud se v napl´anovan´e trajektorii objev´ı pˇrek´aˇzka, najde si robot alternativn´ı trasu nebo se zastav´ı.
Literatura
Astrom, Karl J., Murray Richard M. (2008) (.Feedback systems: an introduction for scientists and engineers, Princeton: Princeton University Press, c2008. ISBN 978-0691135762.
Grisetti, G., Stachniss, C., Burgard, W. (2007) Improved Techniques for Grid Mapping with Rao-Blackwellized Particle Filters.IEEE Transactions on Robotics, Volume: 23 , pp. 34–46.
Mahtani, Sanchez, Fernandez, Martinez, Joseph (2018)ROS Programming: Building Powerful Robots, Packt Publishing Ltd. ISBN 978-1-78862-743-6.
21
