Design und Implementierung der Fahrdynamik eines

Design und Implementierung der Fahrdynamik eines kettengetriebenen Roboters

Vortrag zur Diplomarbeit

Franz [email protected]

Ziele der Diplomarbeit

� Simulation der Fahrdynamik des Bombenentschärfungsroboters tEODorunter Zuhilfenahme der Physiksimulationssoftware VORTEX

� Entwicklung neuer Fahrmodellansätze� Beispielhafte Implementierung eines

Fahrmodellansatzes� Entwicklung einfacher

Bewertungsschemata und Vergleichdes beispielhaft Implementierten Modells und des in der Simulation existierenden Modells

Präsentationsüberblick

� Der tEODor Roboter� Grundlagen der Fahrmechanik von

Kettenfahrzeugen� Grundlagen von Physiksimulationen� Entwickelte Fahrmodellansätze� Bewertungsschemata für Fahrmodelle� Softwaretechnische Realisierung

Der tEODor (telerob Explosive Ordnance

Disposal and observation robot) Roboter

� Gewicht: 360 kg� Länge: 130 cm� Breite: 68 cm� Höhe: 110 cm� Maximale

Geschwindigkeit: 50 Meter/Minute (= 3 km/h)





� Antrieb über zwei Metallketten mit Gummibandagierung

� Reichweite Greifarm: 2.8 Meter

� Maximale Hebekraft am Greifarm: 100 kg

� Greifarmschließkraft: 600 N



� Werkzeugmagazin� Zündausdrehgeräte� Röntgensysteme� Schießbolzengeräte� Bohrmaschine� KFZ-Abschleppvorrichtung� …

� Anbau von ausfahr-barem Kameramast möglich

� Anbau von Schuss-Systemen möglich



� Steuerung über eine Steuerkonsole

� Übertragung der Steuereingaben durch eine Kabelverbindung

� 2 Sticks zur Steuerung der Kettenlaufwerke und des ausgewählten Gelenks



Grundlagen der Fahrmechanik von Kettenfahrzeugen

Als Laufwerk werden diejenigen Bauteile eines Kettenfahrzeugs bezeichnet, welche für die Übertragung

der Motorkraft und die Federung bzw. Dämpfung des Fahrzeugs verantwortlich sind.

Kettenlaufwerke - Arten

Als Laufwerk werden diejenigen Bauteile eines Kettenfahrzeugs bezeichnet, welche für die Übertragung

der Motorkraft und die Federung bzw. Dämpfung des Fahrzeugs verantwortlich sind.

Kettenlaufwerke - Aufbau

Kettenlaufwerke - Aufgaben

� Übertragung von Längskräften auf den Boden� Antriebs- und Bremskräfte� Widerstände wirken diesen Kräften entgegen

� Übertragung von Seitenkräften� Seitenführungskraft bei der Kurvenfahrt (zu große

Rutschbewegungen sollen vermieden werden)� Beispiel Quergeneigte Fahrbahn: Seitliches

Abrutschen soll durch die Konstruktion der Kette vermieden werden

Kettenlaufwerke - Aufgaben

� Aufnahme von Hochkräften�Abfederung und Dämpfung des Aufbaus

aufgrund von Fahrbahnunebenheiten

� Aufnahme von Drehkräften�Mechanisches Problem hauptsächlich bei der

Kurvenfahrt (Entgleisen, Materialbruch)�Wird hier nicht weiter behandelt, kann jedoch

für eine Trainigssimulation verwendet werden

Kettenlaufwerke – Widerstände

� Innere Laufwerkswiderstände�Triebradreibung�Gelenkreibungswiderstand� Innerer Rollwiderstand

� Äußere Widerstände�Bugwiderstand�Steigungswiderstand�Luftwiderstand

Kurvenfahrt

� Richtungsänderung erzeugt durch unterschiedliche Kettengeschwindig-keiten

Kurvenfahrt - Alternative

� Richtungsänderung initiiert durch hydraulische Lenkung

� Beispiel: Hagglunds

Grundlagen von Physiksimulationen

Begriffsdefinitionen - Simulation

� Offline Simulation� Berechnung von Vorgängen mit möglichst aufwendigen

Rechenmodellen� Sehr komplexe Simulation bzgl. Rechenzeit und

Rechenkapazität� Interaktive Simulation

� Möglichst schnelle Berechnungszeit von Interesse� Somit: geringere Komplexität der Rechenmodelle� Mensch als interaktive Komponente im Vordergrund

� Echtzeitsimulation� Ähnlich der interaktiven Simulation jedoch mit garantierten

Rechenzeiten

Physik SDK‘s (Software Development Kits) sind Vertreter der interaktiven Simulation und nicht

der Echtzeitsimulation!

Begriffsdefinitionen - Simulation

Physik SDK‘s (Software Development Kits) sind Vertreter der interaktiven Simulation und nicht

der Echtzeitsimulation!

Eigenschaften von Physik SDK‘s

� Simulation einfacher Festkörper� Simulation komplexer mechanischer

Systeme (Fahrzeuge, Hydraulik, etc.)� Simulation von Reibung (meist Coulomb)� Baukastenprinzip (Plug-and-Play)� Integrierte Kollisionserkennung� Meist Singlethreading-Architektur

Körperverbindungen

Beispiele komplexer Systeme

Bewegungssimulation

Beschleunigung =Kraft

Masse

Gesetz von Newton wird nur bei der kontaktlosen Bewegung von einzelnen Körpern verwendet.

Bewegungssimulation

Beschleunigung =Kraft

Masse

Gesetz von Newton wird nur bei der kontaktlosen Bewegung von einzelnen Körpern verwendet.

Bewegungssimulation

� Bewegungssimulation von in Kontakt befindlichen Körpern über die Bildung von Kontaktclustern

� Kontaktcluster wird als ein ganzes Objektbetrachtet dessen Bewegung berechnet wird

Bewegungssimulation

Problemsituationen

� Ursachen� Zu große Zeitschritte durch zu aufwendige

Berechnungen oder eine zu aufwendige Modellierung� Einwirkung von großen Kräften auf Körpern� Modellierung von Objekten mit sehr schweren und

sehr leichten Körpern� Hohe Reibung zwischen Körpern

� Auswirkungen� Instabiles System („Explosion“ oder

„Zusammenfallen“ des modellierten Systems)

Problemsituationen

Explosion Zusammenfallen

EntwickelteFahrmodellansätze

(Auszug)

Fahrmodellansätze unter ausschließlicher Verwendung geometrischer Primitive

Sämtliche Rollen werden durch Verbindungen, ähnlich wie Stoßdämpfer

beim PKW, an den Rumpf arretiert.

Ein Modell definiert ein physikalisches oder formales System, welches das betrachtete System mit mehr oder minder großem Abstraktionsgraddarstellt und dessen charakteristisches Verhalten

zu studieren gestattet.

Vorbemerkungen

Sämtliche Rollen werden durch Verbindungen, ähnlich wie Stoßdämpfer

beim PKW, an den Rumpf arretiert.

Ein Modell definiert ein physikalisches oder formales System, welches das betrachtete System mit mehr oder minder großem Abstraktionsgraddarstellt und dessen charakteristisches Verhalten

zu studieren gestattet.

Dynamikberechnung ausschlaggebenderFaktor für den Berechnungsaufwand !

Kollisionserkennung beansprucht relativ wenig Rechenzeit

Vorbemerkungen

Kollisionserkennung beansprucht relativ wenig Rechenzeit

Dynamikberechnung ausschlaggebenderFaktor für den Berechnungsaufwand !

Vorhandenes Fahrmodell

� Komplettes Kettenlaufwerk nachgebildet durch einen starren Körper

� Antrieb durch Kräfteer-zeugung an den Kontakt-stellen zur Umgebung

� Vorteil:� Geringer Rechenaufwand

� Nachteil:� kein charakteristisches

Federungsverhalten

Fahrmodellansatz 1

� Idee:� Ersetzung der einzelnen realen Rollen durch Stoßdämpfer ähnliche

Systeme (Punkt-Masse-Systeme (PMS) / Feder-Dämpfer-Systeme)� Vorteile:

� Einfache Modellierung und moderater Performancebelastung� Nachteile:

� Lücken zwischen den einzelnen Rollen führen unter Umständen zu Aufschaukelbewegungen, da keine Kette vorhanden ist

Fahrmodellansatz 2

� Idee:� Verzicht auf einzelne Rollen und Anbringung vieler kleiner PMS

� Vorteile:� Einfache Modellierung

� Nachteile:� Extrem schlechte Performance (0-3 Bilder/Sekunde – 2.4 GHz)

Fahrmodellansatz 3

� Idee:� Rollen wie bei Ansatz 1 und zusätzliche Anbringung von

Rechtecksplatten zur Nachbildung einer Kette� Nachteile:

� Schlechte Performance durch zu aufwendige Dynamikberechnung

� Zu große Komplexität des Ansatzes durch zu viele Körperverbindungen

Fahrmodellansatz 4

� Idee:� Rollen wie bei Ansatz 1 und Anbringung neuer, gleich großer Rollen

zwischen den vorhandenen� Vorteile:

� Keine Lücken mehr zwischen den einzelnen Rollen� Einfache Modellierung

� Nachteile:� Fast doppelt so hoher Berechnungsaufwand wie bei Ansatz 1

Fahrmodellansatz 5

� Idee:� Visualisierung der realen Rollen� Bewegungssimulation anhand weniger sehr großer einzelner Rollen

� Vorteile:� Gute Performance (im Beispiel halb so viele Rollen !)

� Nachteile:� Unter Umständen kann der Betrug sehr weniger Rollen, etwa bei

Treppenüberfahrten, auffallen� Sehr wenige und große Rollen können bei flachen Robotern zu

Problemen führen (Raumproblem)

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EntwickelteFahrmodellansätze

(Auszug)

Fahrmodellansatz unter Berücksichtigungeines Kettenmodells

Fahrmodellansatz mit Kettenmodell

� Voraussetzung: Fahrmodellansatz 1 als Grundlage

� Idee: Einführung einer virtuellen Kette welche das Fahrzeug bei der Überfahrt von Unebenheiten anhebt

Fahrmodellansatz mit Kettenmodell

� Realisierung:� Zwischen zwei Rollen werden Kollisionserkennende

Sensoren angebracht� In Abhängigkeit wie aktivierte Sensoren existieren

wird die Kettenlänge berechnet und das Fahrzeugan den entsprechenden Rollen angehoben

Kettenmodell - Praxisbeispiele

Kettenmodell - Praxisbeispiele

Bewertungsschematazum Vergleich von

Fahrmodellen

Bewertungsschemata

� Typische Fahrzustände des tEODor Roboters� Fahrt auf ebener Fläche mit festem Untergrund� Fahrt auf einer Rampe� Fahrt auf einer Treppe

� Durchgeführte Analysen� Rechenzeitvergleich� Treuetests� Rutschtests� Überfahrttests

Rechenzeitvergleich (fps)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Testszenario Flughafenszenario

Modell 1Modell 2

Treuetests

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

We

g/S

eku

nd

e

Prozent der Hoechstgeschwindigkeit

TheoretischModell 1Modell 2

10.935

10.94

10.945

10.95

10.955

10.96

10.965

10.97

10.975

10.98

10.985

10.99

-6 -4 -2 0 2 4 6

Y-A

ch

se

X-Achse

Modell 1Modell 2/3

Rutschgeschwindigkeit auf 18° Rampe ~0.03 km/h bei altem Fahrmodell !!!

Rutschtest

00,000050,0001

0,000150,0002

0,000250,0003

0,00035

5° 10° 18°

ModellaltModellneu

-0.01

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

0

0.002

0.004

0.006

3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5

Ges

chw

indi

gkei

t km

/h

X-Achse

Rutschgeschwindigkeit auf 18° Rampe ~0.03 km/h bei altem Fahrmodell !!!

Überfahrt einer halbzylindrischen Bodenunebenheit bei 1 km/h

00,000050,0001

0,000150,0002

0,000250,0003

0,000350,0004

0,00045

Fahrzeugrumpf Greifarm

Modell 1Modell 2Modell 3


0.22

0.225

0.23

0.235

0.24

0.245

0.25

4 4.5 5 5.5 6 6.5 7

Z-P

ositio

n

Zeit (Sekunden)

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6

Z-P

ositio

n

Zeit (Sekunden)

Z-Position FahrzeugrumpfUmlaufrolleLaufrolle 1Laufrolle 2Laufrolle 3Laufrolle 4

Triebrad

Softwaretechnische Realisierung

Klassenübersicht

Klassenerzeugung

Zusammenfassung

� Physik SDK‘s unterstützen eine schnelleund realitätsnahe Modellierung bzw. Simulation technischer Systeme

� Aufwendigere Fahrmodelle durch hardwareunterstützte Physikberechnung zu realisieren (Grafikkarte, PhysX) oder eigene CPU für Berechnungen

PhysX Prozessor (Ageia)

� Etwa 25% der Rechenleistung wird bei modernen Computerspielen für sämtliche Physikberechnungen verwendet

� Physics Processing Unit (PPU) speziell entwickelt um hochparallele Berechnung physikalischer Effekte möglich in Echtzeit zu rechnen� Festkörperdynamik / Weichkörperdynamik� Finite Elemente Analyse� Flüssigkeitsdynamik� …

PhysX Prozessor (Ageia)

Noch Fragen ?

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Backup-Folien

Kettenlaufwerke - Aufbau Beispiel: Leopard 2 Kampfpanzer

Kettenlaufwerke – Innere Laufwerkswiderstände� Arten von Widerständen:

� Triebradreibung� Reibung hervorgerufen durch Eingreifen der Kette am Triebrad und

der dadurch erzeugten Kräfte� Spurreibungswiderstand

� Reibung zwischen den Kettenführungsteilen (Laufrolle, Stützrollen, Umlenkrolle, Triebrädern) sowohl bei Geradeausfahrt als auch beider Kurvenfahrt

� Gelenkreibungswiderstand� Widerstand hervorgerufen durch Abwinkeln der Kettenglieder

gegeneinander an hinteren und vorderen Laufrollen, Umlenkrollen und Triebrädern bei überfahrt von Bodenunebenheiten

Kettenlaufwerke – Innere Laufwerkswiderstände

� Arten von Widerständen (Fortsetzung):�Stoßwiderstand

� Entsteht beim Überrollen der Kettengelenke durch Lauf-, Stütz- und Umlenkrollen abhängig von der Gummibandagierung der Rollen und der Kette

� Innerer Rollwiderstand� Widerstand durch Reibung innerhalb der Radlage

Kettenlaufwerke – Widerstände

� Berechnung innere Laufwerkswiderstände�Nach W. Merhof

� Widerstand in einer Größenordnung von 3 bis 8% vom Fahrzeuggewicht

�Nach J.Y. Wong / M.F. Bekker� Schwere Fahrzeuge:

� Fahrzeuggewicht * (222 + 3 * Geschwindigkeit)

� Leichte Fahrzeuge:� Fahrzeuggewicht * (133 + 2.5 * Geschwindigkeit)

Kettenlaufwerke – Innere Laufwerkswiderstände

01000200030004000

5 km/h 10 km/h 15 km/h 20 km/h 25 km/h 30 km/h

Merhof (10 T)Wong/Bekker (10 T)

0

50

100

150

5 km/h 10 km/h 15 km/h 20 km/h 25 km/h 30 km/h

Merhof (500 kg)Wong/Bekker (500 kg)

� Vergleich der Formeln von Merhof und Wong/Bekker:

Kettenlaufwerke – Äußere Fahrwiderstände� Arten von Widerständen:

� Bugwiderstand� Entsteht an der Vorderseite des Fahrzeugs beim Einsinken� Größter Einzelfahrwiderstand

� Steigungswiderstand� Luftwiderstand

� Zu vernachlässigen bei Geländefahrt (v < 30 km/h)� Anhängerwiderstand� Beschleunigungswiderstand� Rollwiderstand

� Summe der Fahrwiderstände in der Ebene� Nach Mehrhof auf festem Untergrund 3 – 6% vom Fahrzeuggewicht

Kraftfluss Motor-Fahrbahn


0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025


Modell 1Modell 2Modell 3

Überfahrt einer halbzylindrischen Bodenunebenheit bei 1 und 2 km/h

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025


Modell 1 (1 km/h)Modell 1 (2 km/h)Modell 2 (1 km/h)Modell 2 (2 km/h)Modell 3 (1 km/h)Modell 3 (2 km/h)

Documents

Design und Implementierung der Fahrdynamik eines