Konstruktion Mobiler Roboter Einführung Hardware · • Introduction to Mobile Robots, Buch • Quick Starting Manual Sick LMS 200, online • Operation Manual Pioneer Robot, online

Gerald Steinbauer

Institut für Softwaretechnologie

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Konstruktion Mobiler Roboter, PR, WS08

Konstruktion Mobiler RoboterEinführung Hardware

Gerald SteinbauerInstitut für Softwaretechnologie

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Agenda

• vorhandene Hardware• Roboter & Antriebe• Sensoren• Manipulatoren

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Pioneer 3DX Allgemein

• Hersteller ActivMedia Robotics(www.mobilerobots.com)• meist verkaufte Forschungs-

Plattform weltweit• Differential Drive• 1.2 m/s Höchstgeschwindigkeit• unterstützt durch viele

Bibliotheken, Simulatoren, Tools

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Differential Drive

R

D

V

WWL WR

DRR

RRV

lr

lr

ωωω

ωω

+=

+=

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Momentanpol-Kinematik

R

L

VDL

VDL

VL

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=

2

2

ω

ω

ω

V

W

Mp

L

VRVL

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Pioneer 3DX Odometry

• Pioneer liefert Odometry• gefahrener Weg des Roboters (Δs/Δφ)• geschätzte Geschwindigkeit (vr,vl oder v, ω)• Wheel-Encoder pro Rad• inkrementeller Sensor• akkumulierte Fehler• Koordinatentransformation

für globale Koordinaten

ϕΔ+Θ=ΘΘΔ+=ΘΔ+=

+

+

+

tt

ttt

ttt

syysxx

1

1

1

sincos

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Pioneer 3DX Status Roboter

• Stall– Motor blockiert

• Batterie– Spannung– Ladezustand

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Pioneer 3DX Stromversorgung

• 12 V Blei-Gel Akkus• bis zu 3 Packs• einige Stunden Laufzeit• 12 Stunden für Recharge• Ladegeräte oder Docking-Station (nur 3DX)• 12 V/5 V Versorgung für zusätzliches Equipment

– stabilisiert und unstabilisiert– extra schaltbar

• Spannungskonverter 12 V auf 24 V vorhanden

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Pioneer 3 Sonar

• Ultraschall-Abstandssensoren• 2 Gruppen â 8 Sensoren

(links, 6 x 20 °, rechts)• Time of Flight Messung• Reichweite 15 cm - 5 m• großer Öffnungswinkel (30 °)• Probleme: Cross-Talk und

Rauschen• gut geeignet für Hindernis-

vermeidung

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Pioneer 3DX Steuerung

• Onboard-Microcontroller– Hitachi HS8 – ARIA-API/proprietäres Protokoll– steuert nur low-level Aktoren/Sensoren/IOs– RS-232 Schnittstelle zum Host– einige interne On-board Test-Routinen– Interne Erweiterungsteckplätze vorhanden (RS232)

• Notebook random– High-Level Steuerung– Ubuntu Linux– SW-Pakete/Tools installiert– Serielle Schnittstelle – Roboter (ttyS0)– USB-Serial-Converter 4-fach – Laser… (ttyUSB0..3)

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Pioneer 3DX IOs

• durch Mikrokontroller gesteuert• eigener API-Befehl• Outputs

– 8 digital Ausgänge (TTL)– einige intern verwendet (Gripper,…)

• Inputs– 8 digitale Eingänge (TTL)– 8 analoge Eingänge (0-5V, 8 Bit Auflösung)– einige intern verwendet (Batterie,…)

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Pioneer 3DX Operation Panel

• Statusanzeige– Batterie (grün-orange-rot)– serielle Verbindung

• Motorschalter– Freigabe der Motoren

• Schalter für zusätzliche Spannungsversorgungen– AUX1– AUX2

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Pioneer 3AT Basics

• gleiches Onboard-Controller wie Pioneer DX3

• 4WD Differential-Drive mit je 2 gekoppelten Rädern

• Outdoor-tauglich– Wiese– Schotter– Steigungen

• keine Docking Station• getrennte Batterie-Sätze für

random und wonko(auf Anschlüsse achten)

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Pioneer 3AT Basics

• gleiche Onboard-Sensorik wie Pioneer DX3

– Odometry– Stall– Sonar

• Motor-Notaus-Schalter !!!• Notebook wonko• fixier Montage-Aufbau• vorbreitet für den Pioneer Arm

– Spannungsversorgung– Kontrollbox– Firmware

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Krikkitγ Basics

• Eigenbau Mostly Harmless• RoboCup Middle Size• Omni-Drive

– dr, ds, dphi

• Embedded PC– Debian Linux

• Pnematik-Kicker– 200 bar Druckflachen– besser keine Finger davor

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Krikkitγ Sensorik

• Omni-Kamera– Firewire– bis 1024 x 768 @ 20 Hz– 360° Blick– Kamera-Spiegel Anordnung

• Odometry– 3 Wheel Encoder– variable Frequenz– dr, ds, dphi

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Krikkitγ Kinematik

Rlv

R

vlv

R

vlv

xC

yx

B

yx

A

ωω

ωω

ωω

22

232

22

232

22

−−=

+−=

−−=

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Robotik Wireless Network

• Wireless Network B-Standard• nur für Robotik-Anwendungen• privates Netz 192.168.3.xx• SSID Mostly_Harmless, kein Schlüssel nötig• Services von/nach Außen

– Routing über das Institut– Linux Updates – secure shell (Firewall IST)

• innerhalb des Netzes sind alle Service offen• gesamtes Lab in der Brückenkopfgasse• Übungsrechner im Labor, Roboter Notebooks

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Sick LMS 200

• Laser RangeFinder (4,5 kg)• Laser Laufzeit Messung (rotierender Spiegel)• eine Scan-Ebene

– 180 ° oder 110 ° Scans– 0.25°, 0.5° oder 1° Auflösung– 8 m Tiefe– bis 75 Hz abhängig von der Schnittstelle

• Schnittstelle– RS232/RS422– 9.6, 19.2, 38.4 oder 500 kBaud– Zeichenorientiertes Protokoll

• Versorgung– 24V (Spannungskonverter nötig), 20 W

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Sick LMS 200

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Sick LD OEM


– n Sektoren, zusammen bis 360 °– m * 0.125 ° Auflösung– 8 m Tiefe– 5 – 20 Hz Rotation

• Schnittstelle– RS232/RS422/CAN/ArcNet– Standard Baudraten– Klartext Protokoll

• Versorgung– 24V (Spannungskonverter nötig), 36W

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Sick LMS100


– 270 ° bis 20 m

• Schnittstelle– RS232/CAN/Ethernet– 115kB, 1MB, 100MB– Klartext Protokoll

• Versorgung– 24V (Spannungskonverter nötig), 11W

• Sicherheitszertifiziert– Schaltausgäne und Encodereingänge

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Stereo Vision• PtGrey Research• Bumblebee 2• Stereo Vision

– intern zwei Kameras– fertig kalibriert– entzerrte Bilder 1024x768

mit 20 Hz– Disparity Map per Software

• Firewire Interface

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Mono Kamera

• Sony• Firewire Interface• gute Farbwiedergabe• bis 640 x 480 Pixel• diverse Subauflösung• diverse Objektive vorhanden

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Firewire Interface

• für die Roboter-Notebooks PCMCIA-Card nötig

• 6 pol. Firewire Stecker groß• für intern versorgte Kameras

12V Spannungsversorgung vom Roboter nötig

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Inertial Sensor

• Lagesensor (yaw, pitch, roll, basierend auf Gravitation und Magnetfeld)• 3-Achsen Beschleunigunssensor(x, y, z)• Drehratensensor (x, y, z)• hohe Framerate (bis > 100 Hz)• merkliche Drift• für Lage- oder Bewegungs-messung• proprietärer Bus (Xbus auf USB)

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GPS

• globale oder lokale Position• Trimble Pathfinder Pro XT• professioneller GPS-Empfänger• Schnittstelle

– RS 232– simples Textprotokoll (NMEA)

• Differential-GPS– Einspielen von Korrekturen möglich– Referenzdaten von Rerferenzstationen

• Multipath-Unterdrückung• externe Antenne

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Pioneer Gripper

• zwei Freiheitsgrade– up/down– open/close– parallele Ausführung

möglich

• zwei Endschalter-Paare– Up/down– open/close (Zange/Objekt)

• nur am Pioneer 3DX• Steuerung

– Simple digitale IOs am Controller

– im Protokoll integriert

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Pioneer Arm

• 6 Freiheitsgrade– 1-5 Arm– 6 Gripper

• nur am Pioneer AT3• geringe Traglast (einige Gramm)• Steuerung

– zusätzliche Steuerungsbefehle im Protokol

– zusätzliche externe Steuerelektronik

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Empfohlene Literatur

• Introduction to Mobile Robots, Buch• Quick Starting Manual Sick LMS 200, online• Operation Manual Pioneer Robot, online• Operation Manual Gripper, online• Operation Manual Pioneer Arm, online

• PDFs zum download auf der Übungs-Webseite

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Cooles Beispiel

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Fragen ?

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