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Folie 1Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm) Vorlesung 3. WS 08/09
Dr. Mohamed Oubbati
Institut für Neuroinformatik
Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm) Vorlesung 3. WS 08/09
Wiederholung vom letzten Mal !
Übersicht
Mit Hilfe von Sensoren kann ein Roboter Informationen aus seiner Umgebung aufnehmen.
Sensor Physikalisches Signal Elektrisches Signal
Definition Ein Sensor empfängt ein physikalisches Signal und reagiert darauf mit einem elektrischen Ausgangssignal.
Wiederholung vom letzten Mal !
• Berührungssensor (an/aus)
Die Daten von Abstandssensoren eignen sich zur Hindernisvermeidung sowie zur Extraktion eines Models der Umgebung, was zur Navigation genutzt werden kann.
Abstandssensoren
Ein Abstandssensor (auch Distanzsensor) ist in der Lage, berührungslos den Abstand zwischen sich und einem Objekt zu messen.
Sender
Empfänger
Hindernis
Mit Einkanal-Drehimpulsgeber keine Drehrichtungserkennung
Inkrementeller Radencoder
Signalverarbeitungskette
Sensorsignale müssen in eine digitale Repräsentation überführt werden.
Dafür nutzt man ein Analog - Digital Wandler
Analog - Digital Wandlung
Abtastung Quantisierung Codierung Analog Signal Digital Signal
Analog - Digital Wandlung
A/DAnalog Signal
I. Vorbearbeitung des Signals
man muss wissen, in welchem Amplitudenbereich sich das Signal maximal bewegt. Damit das Signal im digitalen verfügbaren Bereich möglichst gut ausgenutzt wird.
Amplitude
Man muss wissen, in welchem Frequenzbereich sich das Signal bewegt. Theorem von SHANNON (später an die Tafel!)
Digital Signal
II. Abtastung
Nach der Vorbearbeitung wird das Signal mit Hilfe eines Abtasters zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet.
Eingangsignal Ausgangsignal
Eingangsignal
Ausgangsignal
Die Spannungswerte im Moment der Abtastung werden in einen Zahlenwert umgewandelt.
III. Quantisierung
IV. Codieren
Shannon-Abtasttheorem
muss mit einer Frequenz abgetastet werden, damit man aus dem so erhaltenen zeitdiskreten Signal das Ursprungssignal ohne Informationsverlust rekonstruieren kann.
abtastf
wobei
Aktoren
Aktoren
Während Sensoren eine physikalische Größe in elektrischen Signal umwandeln, machen Aktoren (Aktuatoren) genau das Gegenteil und wandeln elektrische Signale in eine andere Energieform um.
Aktor Elektrisches Signal Mechanische Arbeit
Es gibt hauptsächlich drei Arten, elektrische Signale in mechanische Arbeit umzusetzen:
1. Pneumatik
2. Hydraulik
3. Elektrik.
Beim Mobilen Roboter werden am häufigsten Elektromotoren als Antriebselemente eingesetzt.
Ein mobiler Roboter besitzt insbesondere Aktoren (Z. b. Räder, Beine, oder Ketten) zur Veränderung seiner Position in seiner Umgebung.
Aktoren
Mit Rädern kann ein Roboter auf glattem Untergrund höhere Geschwindigkeiten erreichen.
Beine, und Ketten ermöglichen eine sehr flexible Fortbewegung auf eine Gelände.
Skorpion - NASA - Uni Bremen
Motoren
Auf dem Roboter werden häufig Getriebemotoren (DC motors) eingesetzt.
Zuerst schließt man die Spannungsquelle an, und je Höhe die Spannung, desto schneller dreht sich der Motor.
DC Motor
Um die Geschwindigkeit des Motors zu regulieren, muss man Die Pulsweitenmodulation (engl. Pulse Width Modulation, abgekürzt PWM) nutzen.
Pulsweitenmodulation
Bei der PWM wird die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert.
Je länger die Einschaltdauer, desto schneller dreht sich der Motor.
Motorsteuerung
Aktoren
Motoren
Aktoren Motoren
Motorsteuerung
Motoren
Ein Motor kann nicht direkt durch einen Mikroprozessor angetrieben werden, da dieser nicht genügend Strom liefert.
Stattdessen muss eine Verbindungsschaltung aufgebaut werden, so dass die Energie für den Motor von einer anderen Spannungsquelle kommt und der Mikroprozessor nur die Steuersignale sendet.
Aktoren
Motoren
Antriebskonzepte Ein mobiler Roboter besitzt insbesondere Aktoren (z. b. Räder, Beine, oder Ketten) zur Veränderung seiner Position in seiner Umgebung.
Antriebskonzepte Differentialantrieb
Dieses besteht aus zwei angetriebene Räder auf einer Achse mit einem oder zwei passiv mitlaufenden Stützrädern, die sich frei drehen können.
Der Roboter bewegt sich bei konstanten Radgeschwindigkeiten auf einer Kreisbahn mit dem Radius r um ein Drehzentrum ICC (InstantaneousCenter of Curvature)
zwei angetriebene Räder
Die beiden Antriebsräder liegen auf derselben Achse und werden getrennt angetrieben.
Differentialantrieb
Mit Rädern kann ein Roboter auf glattem Untergrund höhere Geschwindigkeiten erreichen.
Antriebskonzepte
• Hohes Moment für Kurvenfahrt
Differentialantrieb
Dreiradantrieb
Der mobile Roboter ist mit 2 angetriebenen Räder und ein gelenkten Rad ausgestattet
Der Roboter bewegt sich dann bei konstanten Radgeschwindigkeiten auf einer Kreisbahn mit dem Radius r um ein Drehzentrum ICC.
die verlängerten Achsschenkel aller Räder müssen in einem Mittelpunkt (ICC: InstantaneousCenter of Curvature) schneiden.
Antriebskonzepte
Dreiradantrieb
Beispiel
Antriebskonzepte
Sehr gute Spurtreue • Der Roboter kann nicht auf der Stelle drehen.
• Aufwändige Konstruktion
Dreiradantrieb Antriebskonzepte
ICC
Ackermannlenkung
Beim Lenken werden die vorderen Räder um den gleichen Winkel eingelenkt.
Bei PKW und LKW wird das innere Rad stärker gelenkt als das äußere Rad. Dies ist notwendig um sich die verlängerten Achsschenkel aller Räder in einem Mittelpunkt (ICC) zu schneiden. Damit haben die Räder den geringsten Rollwiderstand.
Antriebskonzepte
Der mobile Roboter hat eine Lenkung wie die von Autos bekannte Lenkung.
Ackermannlenkung Antriebskonzepte
Drei oder mehr angetriebene Räder werden synchron gelenkt
SynchroDrive Antriebskonzepte
SynchroDrive
Beispiel
Antriebskonzepte
Omnidirectional
Unter Verwendung von drei (manchmal auch 4) angetriebenen so genannten Allseitenräder (auch Omni-Wheels, Mecanum-Räder) ist der Roboter in der Lage sein, sich in alle Richtungen zu bewegen ohne sich vorher Drehen zu müssen.
Allseitenrad (Omniwheel)
Hardware Omnidrive Chassis.
Omnidirectional Vierrad mit Mecanum-Rädern
Assistenzroboter (Universität Bundeswehr München)
• Beweglichkeit
Hier wird der Roboter nicht von Rädern, sondern, wie ein Panzer, von zwei Ketten angetrieben. Das Prinzip ist analog zum Differentialantrieb.
Differentialantrieb- Kettenantrieb Antriebskonzepte
Laufmaschinen Antriebskonzepte
Laufmaschinen
Antriebskonzepte

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