Řízení mobilního robotu

Jan Babjak

Zadání →

Zadání diplomové práce:

Rozšiřte stávající senzorický a řídicí subsystém všesměrového robotu.

Do řízení robotu zahrňte prvky umělé inteligence založené na neuronové síti.

Navržené HW a SW řešení realizujte. Navrhněte vhodné demonstrační úlohy.

Popis výchozího stavu →

Popis výchozího stavu Tříkolový všesměrový robot CPU: Siemens SAB80C537 6x Sonarů, kompas, kamera

Blokové schéma výchozího stavu →

Blokové schéma subsystémů mobilního robotu

(výchozí stav)Princip pohybu všesměrového robotu →

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5

Kolo AKolo BKolo CVektor rychlosti

Princip pohybu všesměrového robotu

Senzorický subsystém (sonar, kompas) →

Senzorický subsystém robotu

„Inteligentní“ sonar SRF08 Elektronický kompas CMPS03

Osminásobný detektor přiblížení →

Osminásobný IR detektor přiblížení

Hotový modul IR senzorů

3D vizualizace návrhu modulu

IR SenzorPopis vlastností detektoru →

Osminásobný IR detektor přiblížení

Princip měření: detekce odrazu IR světla Až osm senzorů 3 úrovně vzdáleností Připojení přes I2C ISP rozhraní CPU: ATMega8

Princip rozlišení vzdálenosti →

Osminásobný IR detektor přiblíženíPrincip rozlišení vzdálenosti překážek a průměrný změřený dosah senzoru

Lokomoční subsystém motoru →

Lokomoční subsystém robotu

Motor Maxon A-max19 (2.5W, ) Převodovka Maxon GP19B (84:1) IRC snímač Maxon Encoder PR13 Všesměrové kolo

Modul regulátoru motoru →

Modul P-regulátoru motoru Kvadraturní dekodér signálu kanálu IRC Interní 32bitový obousměrný čítač absolutní polohy 16ti bitové měření rychlosti otáčení motoru Až 16ti bitová PWM pro řízení DC motoru Komunikace přes I2C ISP rozhraní CPU: Atmel ATMega8 (AVR)

Blokové schéma regulátoru →

Blokové schéma modulu regulátoru

Princip regulace →

Princip regulace motoru

Kvalita regulace I →

Kvalita regulace P-regulátorun [ot.min-1]

T [ms]

k = 1

Kvalita regulace II →

Kvalita regulace P-regulátorun [ot.min-1]

T [ms]

k = 1/20

Řídicí subsystém robotu →

Řídicí subsystém robotu

CPU: Silicon Laboratories C8051F120

Popis CPU →

Řídicí subsystém robotu

CPU: C8051F120 RAM: 8kB, Flash 128kB Maximální rychlost až cca 100MIPS (PLL) I/O rozhraní: 8 portů po 8 mi bitech Vývojová deska s JTAG rozhraní Množství integrovaných modulů (PWM,

I2C, 2xUART, 8xA/D převodník)

Blokové schéma →

Blokové schéma subsystémů mobilního robotu(stav po úpravách)

Systémová integrace →

Systémová integrace Nutnost vzájemného

propojení všech subsystémů robotu

Nutnost zajistit potřebná napájecí napětí pro jednotlivé subsystémy robotu.

Úkoly řídicího systému →

Úkoly řídicího systému

SLAVE mode – v tomto režimu slouží interní CPU jen jako „sběrač“ dat, které na požádání předá nadřazenému systému a zároveň přijímá povely pro lokomoční subsystém robotu

MASTER mode – režim, který pro provoz robotu nepotřebuje nadřazený systém. Interní CPU zajišťuje autonomní chování robotu

Úkoly řídicího systému →

Princip řízení neuronovou sítí

Fáze vývoje neuronové sítě →

Princip řízení neuronovou sítí

Fáze vývoje neuronové sítě - zrod sítě (inicializace náhodnými veličinami) - učení sítě (upřesňování parametrů) - provoz sítě (použití sítě na neznámém prostředí)

Dálkové ovládání →

Dálkové řízení

Realizovaný robot →

Realizovaný robot

Dotazy →

DOTAZY: Popis grafu regulace

DOTAZY: Životnost vs. čítačMaxon Datasheet:

231 / (9000 x 16 x 4 x 60) = cca 62,1h

DOTAZY: Maximální frekvence IRC

Obsluha přerušení – 136cyklů (8.5μs) → maximální teoretická frekvence 117kHz → potřebná frekvence 9.6kHz (9000 ot.min-1/60 sec.min-1)*16 p.ot-1*4

→ dostatečná rezerva

DOTAZY: Stanovení parametru regulátoru Zieglerova-Nicholsova metoda

Typ regulátor

u                     

P

                

PI0,9

             3,5 Tu  

PD1,2

               0,25 Tu

PID1,25

             2 Tu 0,05 Tu

k1 - koeficient přenosu proporcionální soustavy Tu - doba průtahu (Tu = Td – dopravní zpoždění) Tn - doba náběhu (Tn = T1 – časová konstanta regulované soustavy) Tp = Tu - Td – doba přechodu

DOTAZY: Použití jiných typů regulátorů?

Byl zvolen regulátor P (jednoduchost) Další typy (P, I, PD, PI, PID, PIDi) Možno použít → složitější → kvalitnější regulace

Závěr →

Závěr Výsledkem mé práce je významné rozšíření

senzorického subsystému robotu. Dále jsem rozšířil robot o nezávislý regulátor

každého motoru, což umožní snížit nároky na výpočetní výkon řídicího procesoru.

Výše uvedené úpravy umožní zvýšit kvalitu řízení jak prostřednictvím obsluhy u počítače, tak i prostřednictvím autonomního řízení neuronovou sítí.

Konec → Děkuji za pozornost.