Willkommen zurück im eLearning-System eLab.
--{{1}}-- In der letzten Aufgabe habt ihr bereits zwei wichtige Sensortypen (Distanzsensoren, IMU) kennengelernt. Während ihr mit Hilfe der Distanzsensoren die Umgebung des Roboters wahrnehmen könnt, erlaubt euch die IMU Bewegungen des Roboters selber festzustellen.
--{{2}}-- Neben der IMU, wird vor allem aber auch die Odometrie genutzt, um die Ausführung von Bewegungsbefehlen eines Roboters zu überwachen. Daher wird das erste Ziel dieser Aufgabe sein, die Odometrie unseres Roboters in Betrieb zu nehmen.
--{{3}}-- Nachdem wir dann alle relevanten Sensoren und Aktoren unseres Roboters auslesen bzw. ansteuern können, nutzen wir diese Möglichkeiten zur Umsetzung einer autonomen Bewegungsstrategie.
--{{4}}-- Ziel wird es sein, sowohl eine Kollisionsvermeidung, als auch einen Wall Follower zu implementieren. Während die Kollisionsvermeidung sicherstellt, dass unser Roboter nicht frontal mit einem Objekt kollidiert, erlaubt die Wandverfolgung unserem Roboter sich (theoretisch) durch ein Labyrinth zu finden.
--{{1}}-- Das Ziel dieser Aufgabe ist einen Wall Follower zu implementieren. Da dieser von unserem Roboter verlangt, nicht nur seine Umgebung wahrzunehmen, sondern auch seine Bewegungen zu planen und korrekt auszuführen, muss zunächst ein weitere Sensor, die Odometrie, in Betrieb genommen werden. Da sie auf der Abhandlung von Interrupts basiert, bilden diese einen Schwerpunkt der Aufgabe.
--{{2}}-- Mit Hilfe der Odometrie wird es uns ermöglicht, zu überprüfen, ob unser Roboter auch unsere Steuerungskommandos so ausführt, wie wir sie geplant haben. Wie uns auffallen wird, ist das nicht immer der Fall, sodass wir eine weiter Komponente zur Motoransteuerung hinzufügen müssen: eine Regelung.
--{{3}}-- Zwar gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten eine Regelung umzusetzen, weit verbreitet sind allerdings die PID-Regler. Daher werden wir uns auf diese beschränken.
--{{4}}-- Letztlich bieten uns die verschiedenen Komponenten unseres Roboters nun die Möglichkeit eine autonome Bewegungsstrategie zu implementieren. Daher bildet das Thema des Motion Planning den letzten Schwerpunkt dieser Aufgabe.
Themen:
- Interrupts
- Odometrie
- PID Regler
- Motion Planning
Ziel(e):
- Implementierung einer Interrupt-basierten Odometrie
- Geschwindigkeitsregelung der Motoren mit Hilfe von PID Reglern
- Implementierung einer Bewegungsstragtegie zur Wandverfolgung.
--{{1}}-- Da zur korrekten Implementierung der Odometrie die Konfiguration und Nutzung von Interrupts benötigt wird, haben wir euch, neben der Vorlesung, weitere einführende Referenzen aufgelistet.
--{{2}}-- Darüber hinaus könnt ihr Informationen sowohl zur Odometrie als auch zu Rotationsencoder finden.
--{{3}}-- Wie schon erwähnt sollen die Daten der Odometrie zur Geschwindigkeitsregelung der Motoren genutzt werden. Daher haben wir auch einführende Artikel zu PID Reglern aufgelistet.
--{{4}}-- Letztlich sind die bisher besprochenen Komponenten unseres Roboters lediglich Voraussetzungen zur Umsetzung von autonomen Bewegungsstrategien und Verhaltensmustern. Da diese allerdings nicht in dieser Veranstaltung behandelt werden können, wollen wir euch zumindest Ansatzpunkte für weitere Recherchen geben. Zum einen bietet das (allgemeine) Gebiet der autonomen Roboter vielseitige Herausforderungen die zunehmend durch Algorithmen und Methodiken der künstlichen Intelligenz gelöst werden. Zum anderen bilden aber vor allem die Bereiche des Simultaneous localization and mapping (SLAM) und des Motion Planning konkrete Bereiche der Robotik, die grundlegend für die Autonomie von Robotern sind.
--{{5}}-- Wie immer findet ihr hier aber auch die Datenblätter der Komponenten unserer Robotterplattform.
Interrupts:
Odometrie:
PID-Controller:
-
Einführende Erklärungen:
!
Robotik:
Simultaneous localization and mapping (SLAM):
-
Visualisierung von SLAM:
!
Motion Planning:
-
Erklärungen zu Motion Planning in relation zu SLAM:
!
PKeS:
- Datenblatt IMU (MPU-9255)
- Datenblatt IMU (MPU-9255) Register Map
- Datenblatt infrarot Distanzsensor Sharp GP2Y0A41SK0F
- Datenblatt infrarot Distanzsensor Sharp GP2Y0A02YK0F
- Datenblatt Motortreiber
- Schaltbelegungsplan
- Arduinoview
- Datenblatt des AVR ATmega32U4
- Interrupt Reference in der AVR Libc
--{{1}}-- Wie schon beschrieben, besteht die erste Teilaufgabe darin, die Odometrie des Roboters in Betrieb zu nehmen. Dazu müsst ihr vor allem die Möglichkeiten der Pin Change Interrupts nutzen.
--{{2}}-- Basierend auf den Daten könnt ihr dann eine Geschwindigkeitsregelung für die Motoren (links und rechts) implementieren.
--{{3}}-- Nachdem wir dann die Umgebung unseres Roboters wahrnehmen können und darauf reagieren können, sollte das erste Ziel unserer Bewegungsstrategie sein, eine Kollisionsvermeidung zu implementieren. So soll verhindert werden, dass unser Roboter mit einem Objekt kollidiert.
--{{4}}-- Da die Kollisionsvermeidung allerdings lediglich reaktiv ist, wollen wir darüber hinaus auch eine aktive Bewegungsstrategie implementieren. In unserem Fall soll der Roboter eine Wandverfolgung durchführen.
Hinweis:
Verwendet bei der Bearbeitung der Aufgabe keine Funktionen aus der Arduino-Bibliothek. Lediglich die Funktionen der Serial-Klasse zur Ansteuerung der seriellen Schnittstelle, der Funktion millis() zur einfachen Zeitmessung, sowie der Funktionen aus Wire.h für die I^2^C Kommunikation können genutzt werden.
Teilaufgaben
- 4.1: Implementierung der Odometrie.
- 4.2: PID-Regelung der Geschwindigkeit der Motoren.
- 4.3: Kollisionsvermeidung auf Basis der IR-Distanzsensoren.
- 4.4: Wandverfolgung.
Die Aufgabe ist bis zu der Woche vom 22.01. - 26.01.2018 vorzubereiten.
--{{1}}-- Das Ziel dieser Aufgabe ist es, die Odometrie an unserem Roboter in Betrieb zu nehmen. Dazu müsst ihr zunächst die entsprechenden Interrupts konfigurieren und eine Interruptroutine schreiben, um die Ticks der inkrementalen Rotationsencoder auszulesen.
--{{2}}--
Durch die Interrupts ist die Funktionalität der Odometrie bereits implementiert. Um ihre Daten auch im weitern Programm nutzbar zu machen, benötigen wir noch ein entsprechendes Interface. Implementiert dazu die Funktion odomTicks(int32_t&), sie sollte die Anzahl von Ticks für beide Motoren zurückgeben. Bei der Implementierung dieser Funktion ist zu beachten, dass keine weiteren Interrupts das Auslesen der Register stören, da so inkonsistente Daten entstehen könnten.
--{{3}}--
Da Ticks ein hardwarenahes Maß ist, wollen wir zur weiteren Verwendung darauß in einem dritten Schritt die Geschwindigkeit und zurückgelegte Distanz berechnen. Implementiert dazu die Funktionen odomVelocity() und odomDistance(). Die Geschwindigkeit sollte in
Hinweis:
Der Durchmesser für ein Rad beträgt 65mm. Die Odometrie jedes Rades besteht aus inkrementellen Rotationsgebern. Bei jeder Radumdrehung durchlaufen diese 224,20 Perioden in 4 Phasen.
Ziel:
Implementierung der Odometrie.
Teilschritte:
- Konfiguration der Interrupts und Implementierung der Interrupt-Service-Rountine.
- Implementiert die Funktion
odomTicks(). - Implementiert die Funktionen
odomVelocity()undodomDistance()
--{{1}}-- Die Odometrie, die wir in der vorhergehenden Aufgabe implementiert haben, erlaubt es uns nun, die Geschwindigkeit der Motoren/Räder zu regeln. Dazu sollt ihr in dieser Teilaufgabe einen PID-Regler implementieren und parametrisieren.
--{{2}}--
Im ersten Schritt implementiert ihr dazu die Funktion calculate(float& target, float& current), in der ihr den Sollwert mit dem Istwert vergleicht und daraus eine Geschwindigkeitsvorgabe für den Motor berechnet. Beachtet das hier auch die PID-Werte benötigt werden.
--{{3}}--
In einem zweiten Schritt wollen wir nun die eigentliche Steuerung der Motoren durch den PID-Regler abstrahieren. Dazu implementiert ihr die Funktion setVelocity(), mit der ihr die Zielgeschwindigkeit für beide Räder individuell übergeben könnt. Durch die Funktion update() soll der PID-Regler dann die Berechnung der Steuersignale für die Motoren selbstständig übernehmen und an die Motoren weitergeben.
--{{4}}-- Letztlich müsst ihr noch die Parameter des PID-Reglers bestimmen. Dazu könnt ihr zum einen die Ziegler-Nichols Methode verwenden, zum anderen könnt ihr versuchen eine Geradeausfahrt durch eine gute Parametrisierung zu ereichen.
Ziel:
Regelt die Drehgeschwindigkeit der Motoren mit Hilfe einies PID Regler.
Teilschritte:
- Implementierung eines Reglerfunktionalität in
calculate(float& target, float& current). - Implementierung der Interface-Funktionen
setVelocity()undupdate(). - Parametrisierung des Reglers für beide Motoren.
--{{1}}-- Mit der Regelungsstrategie unserer Motoren können wir nun eine autonome Bewegungsstrategie implementieren. Da dies bedeutet, dass unser Roboter autonom die Geschwindigkeitsvorgaben für die Motoren bestimmen wird, müssen wir dabei auch die Sicherheit des Systems beachten. Dies bedeutet zunächst, dass wir Kollisionen unseres Roboters mit Objekten in der Umgebung vermeiden sollten. Daher ist das Ziel dieser Teilaufgabe, eine Kollisionsvermeidung auf Basis der IR-Distanzsensoren zu implementieren.
Ziel:
Nutzt die IR-Distanzsensoren um eine Kollisionsvermeidung zu implementieren.
Teilschritte:
- Implementiert eine Schutzfunktion zur Vermeidung von Kollisionen.
- Legt empirisch einen minimalen Distanzwert für die Kollisionsvermeidung fest.
--{{1}}-- Nachdem unsere Sensoren und Aktoren, sowie eine einfache Kollisionsvermeidung einsatzbereit sind, können wir diese Komponenten nutzen um eine weitere Bewegungsstrategie zu implementieren: eine Wandverfolgung.
--{{2}}-- Ein Problem beim Lösen dieser Aufgabe ist, dass unsere Distanzsensoren lediglich an der Front unseres Roboters montiert sind. Da wir dementsprechend nicht direkt unsere aktuelle, seitliche Distanz zur Wand messen können, müsst ihr den Roboter von Zeit zu Zeit anhalten und erneut orientieren. Ihr könnt dazu die IMU nutzen und den Roboter auf der Stelle drehen lassen. So könnt ihr die näheste Wand und eure Distanz zu dieser detektieren.
--{{3}}-- Wenn ihr die Distanz zu nähesten Wand kennt, könnt ihr abhängig davon eure Bewegung planen. Das heißt in welche Richtung ihr euch bewegen wollt (Soll die Wand auf der linken oder rechten Seite des Roboters sein?) und wie ihr möglichst parallel zur Wand fahren könnt. Überlegt außerdem, in welchem Distanz es nötig sein wird den Roboter erneut zu orientieren.
--{{4}}-- Durch wiederholtes Planen der Bewegungsstrategie und Re-Orientieren des Roboters sollte es euch möglich sein, der Wand in einer Distanz zwischen 10cm und 20cm zu folgen.
--{{5}}-- Während der Implementierung werdet ihr mehrere Parameter, die das Verhalten eures Roboters beeinflussen werden, bestimmen. Legt diese in Abhängigkeit zur Ungenauigkeit eurer Sensorik und Aktorik fest. Dies wird voraussichtlich ein empirisches Vorgehen erfordern.
Ziel:
Implementiert eine Wandverfolgung.
Teilschritte:
-
Implementiert eine initiale Lokalisierung: "Wo ist die nächste Wand?"
-
Plant eine Bewegung zur Wand, sodass ihr in einer gewissen Distanz von ungefähr 10-20cm neben der Wand steht.
-
Beginnt die Wandverfolgung:
- Plant eine Teilstrecke entlang der Wand und berechnet die entsprechenden Steuerkommandos
- Re-orientiert den Roboter um eine weiter Teilstrecke zu planen.
- Wiederholt Schritte 1 und 2 um euch entlang der Wand zu bewegen.
--{{1}}-- Wie auch in der letzten Aufgabe haben wir noch ein paar kurze Fragen an euch.
Welche Kategorien von Interrupts können allgemein unterschieden werden?
[[ ]] Gleitende Interrupts [[X]] Maskierbare Interrupts [[X]] nicht-maskierbare Interrupts [[X]] Inter-Prozessor Interrupts [[ ]] Asynchrone Interrupts [[ ]] Synchrone Interrupts [[X]] Software Interrupts [[X]] Spurious Interrupts
Was versteht man unter nested interrupts?
[( )] Programmabläufe, die lediglich aus Interrupts bestehen. [(X)] Interrupts, die während der Abarbeitung eines vorhergehenden Interrupts bearbeitet werden. [( )] Interrupts, die weitere Interrupts auslösen. [( )] Programmabläufe, die Interrupts aus Sicherheitsgründen verbieten.
Welche Typen von Interrupts unterscheidet der AVR ATmega32U4?
[( )] Externe und interne Interrupts. [(X)] Interrupts mit und ohne Interrupt Flag. [( )] Kurze und Lange Interrupts.
Was bezeichnet die Interrupt Response Time?
[( )] Die Abarbeitungsdauer eines Interrupts. [(X)] Die Zeit gemessen von dem Auftreten eines Interrupt-Signals bis zum Beginn der Abarbeitung der Interruptroutine. [( )] Die Zeit gemessen von dem Sprung aus dem Programmablauf bis zum Sprung zurück in den Programmablauf.
Was ist die Interrupt Response Time des AVR ATmega32U4?
[(X)] 5 Clock Cylces [( )] 10 Clock Cylces [( )] 15 Clock Cylces
Welchen Vorteil hat ein Absolutwertgeben (engl. absolute encoder) gegenüber einem Inkrementalgeber (engl. incremental encoder)?
[(X)] Er ermöglicht die direkte Schätzung der Position eines Motors/Rades. [( )] Er kann bei höheren Frequenzen betrieben werden. [( )] Er hat einen einfacheren Aufbau.
Wofür steht PID im Namen des PID Reglers?
[( )] Passing, Integrating, Deviating [(X)] Proportional, Integral, Derivative [( )] Proportional, Interfacing, Deviating
Wozu wird der I-Anteil in einem PID Regler benötigt?
[(X)] Um einen durch sinkende Fehlerwerte verbleibenden Regelfehler auszugleichen. [( )] Um das Verhalten des geregelten Systems auszugleichen. [( )] Um Fehler des Sensors auszugleichen.
Wofür steht die Abkürzung SLAM?
[( )] Self-centered localization and motion [( )] Similarity based labeling and motion [( )] Simultaneous localization and motion [(X)] Simultaneous localization and mapping