Praktikum Mechatronische Systeme: Autonomes Fahrzeug (Autonomer mobiler Roboter) Einführung: Prof. Dr.-Ing. Heiner Ryssel, LEB Dipl.-Ing. Kristin Paetzold, KTmfk

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Übersicht

• Einleitung • Definition und Einsatzgebiete • Beispiele • Aufgabenstellung

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Übersicht

• Einleitung • Definition und Einsatzgebiete • Beispiele • Aufgabenstellung

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Einleitung: Historische Entwicklung I •

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Quelle: Uni Stuttgart (IPVR)

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1738 Jaques de Vaucanson – baut den „Flötenspieler“ und „Tamburinspieler“ – mechanische, musizierende Puppe in menschlicher Größe – Blasen in Flöte, Veränderung der Lippen und Zunge sowie Bewegung der Finger erzeugten Töne 1774 Pierre Jaquet-Droz & Jean-Frédéric Leschot – bauten den „Zeichner“, den „Schriftsteller“ und die „Musikerin“ 1805 entwickelt Joseph Maria Jacquard einen programmierbaren Webstuhl (Lochkarten) 1810 Johann Gottfried und Friedrich Kaufmann – bauen den „Trompeter“ 1830 baut Christopher Spencer eine nockengesteuerte Drehbank 1921 erscheint der Roman von Karel Capek

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Einleitung: Historische Entwicklung I • • •

Der Begriff „Roboter“ wurde 1921 von dem tschechischen Schriftsteller Karel Capek (1890 – 1938) geprägt tschechisch: „Robota“ = Frondienst – „robotnik“ = Sklave „Rossum‘s Universal Robot“ von Karel Capek – Entwicklung einer chemischen Substanz zur Herstellung von Robotern – Roboter sollten Menschen gehorsam dienen und alle schweren Arbeiten verrichten – Wissenschaftler Rossum entwickelt „perfekten“ Roboter – Roboter fügen sich nicht mehr, rebellieren und töten gesamtes menschliches Leben

In dieser Geschichte entwickeln der Wissenschaftler Rossum und sein Sohn eine chemische Substanz, die sie zur Herstellung von Robotern verwenden. Der Plan war, daß die Roboter den Menschen gehorsam dienen und alle schwere Arbeit verrichten sollten. Im Laufe der Zeit entwickelte Rossum den perfekten Roboter. Am Ende fügten sich die perfekten Roboter jedoch nicht mehr in ihre dienende Rolle sondern rebellierten und töteten alles menschliche Leben. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird unter Roboter meist eine Maschine verstanden, die dem Aussehen des Menschen nachgebildet ist und/oder Funktionen übernehmen kann, die sonst von Menschen ausgeführt werden. Bei einem menschenähnlichen Aussehen des Roboters spricht man auch von Androiden.

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Einleitung: Entwicklung autonomer Systeme 1985 Æ beginnt weltweit die Entwicklung autonomer Roboter 1989 Æ Erster Roboter-Wettbewerb am MIT AI Laboratory Studenten erhielten einen Satz von Bauteilen und Computer und wurden aufgefordert, eigene Problemstellungen zu entwickeln und zu lösen (Staubsauger, Laserstrahl-Spielzeugroboter, autonom manövrierende Kleinluftschiffe, kleine Geländefahrzeuge) 1992 Æ erste „Laufmaschine“ wird entwickelt (Brooks, Cruse) sechsbeinig, geländetauglich, hindernisüberwindend, lernfähig (Aufstehen, Gangsynchronisation) 1993 Æ ein „intelligenter Rasenmäher“ entsteht in Belgien Solarzellenbetrieben, Induktionsschleifen begrenzen den Rasen, Geländeerkennung, autonomes „intelligentes“ gleichmäßiges Mähen

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• Einleitung • Definition und Einsatzgebiete • Beispiele • Aufgabenstellung

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Definition Autonomer Mobiler Roboter Autonomer mobiler Roboter (AMR) "autonom" "mobil" "Roboter"

Einsatz ohne Rückkopplung zu einer kontrollierenden Instanz Selbständige Fortbewegung mit eigenem Antrieb, Steuerung, Stromversorgung, ... Mechanische Konstruktion mit automatischer Steuerung

Ein AMR ist eine Maschine, die sich in einer natürlichen Umgebung aus eigener Kraft frei und ohne Hilfestellung von außen bewegen kann und dabei ein gestelltes Ziel erreichen kann. Quelle: Hoppen: Autonome mobile Roboter, 1992.

Ein AMR ist eine physikalische Maschine, die sich aus eigener Kraft frei und zielgerichtet in einer Einsatzumgebung bewegen und dabei Hindernisse erkennen und darauf reagieren kann. Quelle: Erich Rome, www.informatik.uni-freiburg.de

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Bedeutung für die Forschung Autonome mobile Roboter Zentrales Forschungsgebiet der Robotik, weil: •

Im Zusammenhang mit Fragestellungen der künstlichen Intelligenz

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Problemstellungen im Bereich der Rechnerarchitektur (Mehrprozessorsysteme, Parallel- und Prozessrechner)

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Anforderungen an Sensorik und entsprechende Strategien zur Zielführung

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Anforderungen an das Bewegungssystem

Quelle: Jerkov, Knieriemen: Autonome Mobile Roboter, 1987.

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Einsatzgebiete Autonome mobile Roboter Raumfahrt • Autonome Systeme zur Erkundung von anderen Himmelskörpern Industrie • Transportsysteme in automatische Fertigungshallen • Im Untertageeinsatz • In Kernkraftwerken an für Menschen gefährlichen Bereichen • Bei Katastropheneinsätzen Reinigungsaufgaben • Kanalisation (dort, wo Mensch nur schwer oder nicht hinkommt) • Müllsammler oder –Sortierer • Autonome Reinigung von Großflächen Landwirtschaft • Autonome Ernte- oder Feldbearbeitungsgeräte Haushalt Praktikum: Mechatronische Systeme

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• Einleitung • Definition und Einsatzgebiete • Beispiele • Aufgabenstellung

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Beispiele •

mobiler autonomer Roboter „James“ – entwickelt an der Universität Karlsruhe – Anwendungsgebiet • Transportaufgaben im Servicebereich und Fertigungsstätten – Technische Daten • Gewicht: 250 kg • Traglast: 150 kg • Geschwindigkeit: 1 m/s • 4 Motoren mit 178 W • mehr als 30 Sensoren • 6 Prozessoren • Funk-Netzwerk • OS: vxWorks 5.4 • div. Überwachungsfunktionen

Quelle: Forschungszentrum Informatik (FZI), Uni Karlsruhe

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Beispiele Lunar Rover Initiative (Carnegie Mellon University)

Ziele Bei der Lunar Rover Initiative handelt es sich um das erste Projekt mit rein kommerziellen Hintergrund. Die Carnegie Mellon Universität beabsichtigt in Zusammenarbeit mit der Firma LunaCorp Inc., mit zwei autonom oder teleoperiert agierenden Fahrzeugen auf dem Mond, der Öffentlichkeit direkte Teilnahme an einer Erkundungsmission zu ermöglichen. Als Kunden werden ein Erlebnispark, Fernsehgesellschaften, kommerzielle Sponsoren und Wissenschaftler genannt. Das Testfahrzeug Nomad hat bei autonomer Fahrt etwa 220km in der Atacamawüste in Chile zurückgelegt.

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Beispiele Long Range Science Rover (NASA / Jet Propulsion Laboratory)

Das Projekt umfasst diverse Einzelprojekte mit dem Ziel, ein autonomes Fahrzeug zur Marserkundung zu entwickeln. Es handelt sich um ein Nachfolgeprojekt zu Sojurner, der in Jahr 1998 als erstes Fahrzeug auf dem Mars berühmt wurde. Das aktuelle Experimentierfahrzeug "Rocky7" befindet sich in der Testphase auf dem NASAeigenen "Mars Testyard". Das Fahrzeug verfügt über einen ausklappbaren Mast mit Stereokamera und Spektrometer am Mastende und einen Manipulatorarm mit drei Freiheitsgraden mit dem Proben entnommen werden können. Um große Entfernungen zurücklegen zu können, kommen als Energiequelle Solarzellen zum Einsatz. Die Ortsbestimmung geschieht relativ zur Sonne und zum Landefahrzeug. Praktikum: Mechatronische Systeme

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Beispiele Rhino

Minerva

Coyote

Amelia

Bei dieser Klasse von Robotern handelt es sich um sehr ähnliche Geräte, die an vielen Universitäten zu Forschungszwecken eingesetzt werden und hie und da auch den Weg in Museen oder auf Messen gefunden haben. Die Sensorik beschränkt sich meist auf Ultraschall- und Infrarotabstandsmessung, Berührungssensoren und Rad-Encoder. Die Bildverarbeitung mit Hilfe von Stereokamera und Laserscanner ist meist Forschungsthema. Minerva wird u.A. im Deutschen Museum Bonn als Museumsführer eingesetzt. Er kann Besucher zu bestimmten Orten führen, dort Erläuterungen zu den Exponaten geben und sich auch inmitten großer Menschenmengen zurechtfinden ohne zu kollidieren.

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Beispiele Vollautomatischer Staubsauger (Trilobite® von Electrolux) Tastet den Raum ab, navigiert zwischen allen Möbelnstücken, UltraschallSensoren erkennen jedes Hindernis und umfahren es mit Leichtigkeit. Kabel und Teppichkanten sind keine Hürde, da die Räder einzeln aufgehängt sind. Das integrierte Dämpfungssystem fängt Stöße ab. Stoppt an Treppen dank extra angebrachter Magnetstreifen an der ersten Stufe. Zum automatischen Aufladen fährt er von selbst zur Ladestation. Anschließend setzt er (falls erforderlich) das Staubsaugen fort und schaltet sich wieder ab – ebenfalls automatisch. Keine Aussage über Untergrunderkennung im Prospekt Quelle: http://www.electrolux.de/files/Brochures/Germany/Trilobite_DE.pdf

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Beispiele X-Mobile Entstanden am Mechatronik-Laboratorium Paderborn (Prof. Lückel)

Die Motivation für den Bau des X-mobile resultiert aus einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten laufenden Forschungsprojekt. Bei diesem Projekt werden am Beispiel eines neuen innerstädtischen Verteilerfahrzeugs die Wechselwirkungen zwischen konstruktiver und mechatronischer Ausprägung beim Entwurfsvorgang untersucht. Quelle: ASIM 2001, Arbeitsgemeinschaft Simulation, 15. Symposium Simulationstechnik, Paderborn, 2001. Praktikum: Mechatronische Systeme

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• Einleitung • Definition und Einsatzgebiete • Beispiele • Aufgabenstellung

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Aufgabenstellung

• Zur Automatisierung der Fertigung ist ein automatischer Transport der Werkstücke zwischen den Bearbeitungsstationen notwendig • Kein geradliniger Weg • Mit Hindernissen muss gerechnet werden • Konkretere Anforderungen in der schriftlichen Aufgabenstellung

Quelle: http://www.decker-vt.de/eng/produktionshalle.jpg

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Aufgabenstellung Hindernisparcours 2500

200

500 Maschine A

0 30

400

• Die Anordnung der Hindernisse kann variieren

200

200

1800

200

300

500

• Zufällige Hindernisse sind zu erwarten

500

Maschine B

850

• Zielmarkierung durch InfrarotLeuchtdiode

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Aufgabenstellung Spezifikation Anforderungen

Quantitative Aussage

Größe (Breite x Länge)

350 mm x 350 mm

Höhe

250 mm

Geschwindigkeit

3 km/h

Zu bewältigende Steigung

keine

Herstellungskosten

200 €

Gesamtmasse

4 kg

Spannungsversorung

12 V

Daten sind Zielwerte Abweichungen (±20%) sind möglich. Größere Abweichungen nach Absprache mit dem Betreuer Praktikum: Mechatronische Systeme

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Aufgabenstellung Unterstützung

- MPU-Platine kann vom Lehrstuhl für Rechnergestützten Schaltungsentwurf zur Verfügung gestellt werden - Unterstützung bei der Wahl eines Gleichstrommotors durch den Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Steuerungen - Beratung über Sensorik durch den Lehrstuhl für Sensorik

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Aufgabenstellung Ansprechpartner bei den betreuenden Lehrstühlen Lehrstuhl

Professor

Ansprechpartner Telefon

email

Konstruktionstechnik

Meerkamm

Paetzold, Kristin Koch, Michael

85-23220 85-27984

[email protected] [email protected]

Elektronische Bauelemente

Ryssel

Maerz, Martin Jank, Michael

09131/761310 [email protected] 85-28637 [email protected]

Rechnergestützter Schaltungsentwurf

Glauert

Schneider, Klaus

85-23116

[email protected]

Elektrische Antriebe und Steuerungen

Piepenbreier Orellana, Alvaro

85-27788

[email protected]

Fertigungstechnologie Geiger

Egerer, Emil Albert, Florian

85-28341 85-23237

[email protected] [email protected]

Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik

Rückel, Veit Wolf, Wolfgang

85-27176 85-27252

[email protected] [email protected]

Feldmann

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Aufgabenstellung Ansprechpartner bei den unterstützenden Lehrstühlen

Lehrstuhl

Professor

Ansprechpartner Telefon

email

Sensorik

Lerch

Bahr, Ludwig 85-23143 Frohmader,K.P.Dr. 85-23134

[email protected] [email protected]

Kunststofftechnik

Ehrenstein

Dörfler, Roland

85-29724

[email protected]

Regelungstechnik

Roppenecker Schoppel, Georg

85-27132

[email protected]

Softwareengineering

Saglietti

Oster, Norbert

85-28747

[email protected]

Egerer, Emil

85-28341

[email protected]

85-26519

[email protected]

Fertigungstechnologie Geiger

Qualitätsmanagement und Fertigungsmess- Weckenmann Müller, Wilhelm technik

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Aufgabenstellung Wie geht‘s weiter? 8:30-9:00 9:00-9:45 9:55-10:40 10:50-11:35 13:00-13:45 13:55-14:40 14:50-15:35 15:45-16:30

Begrüßung und Vorstellung der Aufgabe (LEB, Prof. Ryssel) Entwicklungsmethodik und Teamarbeit (KTmfk, Paetzold) Einführung in die Teamarbeit, methodisches Herangehen zur Problemlösung, Hinweise zur Bewegungsübertragung und zur Auslegung der Getriebe Elektrische und elektronische Komponenten (LEB, Prof. Ryssel) Überblick über elektrische und elektronische Komponenten des Fahrzeuges: Mikroprozessor, Leistungsbauelemente, Sensoren, Batterie Anforderungen an die Sensorik (LSE, Prof. Lerch) Welche Sensortypen eignen sich für die Problemstellung, welche Werte werden erfasst, wie werden die Werte verarbeitet Elektrische Antriebe (EAS, Prof. Piepenbreier) Beschreibung der Motoreigenschaften, Leistungselektronik zur Ansteuerung des Motors, hardwareseitige Programmierung des Motors Der Mikrocontroller und seine Programmierung (LRS, Prof. Glauert) Beschreibung des Mikroprozessorsder Boards und der Programmierumgebung Strategien für das autonome Fahrzeug (FAPS, Rückel) Was ist zu tun, um einen Hindernisparcours zu überwinden, Zusammenbaustrategien, Möglichkeiten der Anwendung Problemspezifische FMEA (QFM, Prof. Weckenmann) Was tun, wenn Fehler die Arbeit lähmen, Vorstellen von Bewertungskriterien Praktikum: Mechatronische Systeme

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Aufgabenstellung Wie geht‘s weiter?

Vorgang

Termin

Zeit

Ort

Vorbesprechung

Mo. 07.04.2003

16:00 Uhr

Nach Absprache mit Betreuer

Präsentation Lösungskonzepte

Mo. 05.05.2003

08:30 Uhr

Nach Absprache mit dem Betreuer

Stand der Bearbeitung (Vortestat)

Mo. 02.06.2003

08:30 Uhr

Nach Absprache mit dem Betreuer

Abschlusspräsentation (Haupttestat)

Mo. 23.06.2003

08:30 Uhr

Seminarraum LEB

Abgabe

Mo. 07.07.2003

bis 12:00 Uhr

Nach Absprache mit Betreuer

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