Intelligentes Führungskonzept für ein Autonomes Unterwasserfahrzeug in Sondersituationen

AbstractThis thesis introduces a complete and new concept for the control of an AUV in special situations. Such a special situation occurs when an Object detected during the mission is tangential to the proposed route; in such a situation the possible actions are identification or evasion of the object. The design of the concept had to take into account a number of practical requirements (Safety, Robustness, Computation time and Optimality of the solution), for the processes and algorithms; these requirements had to be met within the hardware and software specifications and operational constraints of the AUV system. Such specifications include non-holonome, delayed motion behaviour of the AUV, the available environmental sensors, the vehicle’s software architecture, development and communication software. The operational constraints of a AUV may be characterised by manoeuvres in three dimensional space in adverse conditions with strong water currents, bad (sonar) visibility and high water pressure; taking into account safety distances to the seafloor and geographical obstacles, manmade constructions and debris.The concept developed is of modular construction and includes components for collision detection, goal generation, collision avoidance, vehicle guidance for identification tasks and general vehicle control. A two phase concept was used for the collision detection; this allows a rapid collision verification through the use of simple collision tests which leads to a pre-selection of possible collision candidates. The collision avoidance system, developed during the course of the research, has a hybrid structure, whereby reactive (Reactive Control) and planning (Route planning) components work in parallel. The reactive control takes over the vehicle guidance to avoid the collision, concurrently the route planning generates a route which will avoid the obstacle and return the vehicle back on to its original path. Once a route has been calculated the planning function takes over from the reactive control to execute the planned route.The new reactive control component contains a newly developed and original process for construction of gradient lines that combines the advantages of Harmonic Dipole Potentials process with the requirements of a path-optimal control which takes into account the non-holonome, delayed motion behaviour of the vehicle. Due to the demands of the online generation of a route whilst guaranteeing the real-time behaviour of the control system as a whole, graph based techniques for route planning were investigated in the course of the research. These techniques allow an optimal path according to defined input to be calculated within a predictable time. Two newly developed techniques for geometrical graph generation from a configuration space with elliptic-cylindrical objects and an algorithm for calculating the energy requirements (inclusive of water-current data) are described in detail. Even though the guidance concept presented in this thesis was developed for an autonomous underwater vehicle (AUV), the concept or parts of the concept are equally applicable to land based or aerial mobile autonomous systems.ZusammenfassungDie vorliegende Arbeit stellt ein vollständiges und neues Konzept zur Fahrzeugführung in Sondersituationen für ein Autonomes Unterwasserfahrzeug vor. Eine Sondersituation ist dann gegeben, wenn während einer Mission Objekte den abzufahrenden Routenplan tangieren. Die möglichen Handlungen bestehen im Ausweichen oder in der Identifikation dieser Objekte. Bei der Erstellung des Konzeptes gab es eine Reihe praxisrelevanter Anforderungen (Sicherheit, Robustheit, Rechenzeit, Optimalität) an die zu entwickelnden Verfahren und Algorithmen, die unter den hard- und softwaretechnischen Vorgaben und Arbeitsbedingungen einzuhalten waren. Solche Vorgaben umfassen das nichtholonome, verzögerte Bewegungsverhalten des Unterwasserfahrzeuges, die Sensorik zur Bestimmung der Umwelt, die im Fahrzeug eingesetzte Rechentechnik sowie die zu verwendende Entwicklungs- und Kommunikationssoftware. Die Arbeitsbedingungen eines Unterwasserfahrzeuges sind durch ein Manövrieren im dreidimensionalen Raum bei einer möglichen Seeströmung, schlechter Sicht und hohem Wasserdruck unter Einhaltung eines Sicherheitsabstandes zum Meeresbodens und zu den geographischen Hindernissen, technischen Bauten und Altlasten charakterisiert.Das entwickelte Konzept ist modular aufgebaut und umfasst Komponenten zur Kollisionsüberwachung, Zielpunktgenerierung, Kollisionsvermeidung, Fahrzeugführung bei Identifikationsaufgaben sowie zur Fahrzeugsteuerung. Für die Kollisionsüberwachung wird ein Zwei-Phasen-Konzept eingesetzt. Dieses Konzept ermöglicht eine schnelle Kollisionsüberprüfung durch die Verwendung einfacher Kollisionstests zur Vorselektion möglicher Kollisionskandidaten. Das in dieser Arbeit entwickelte Kollisionsvermeidungssystem besitzt eine hybride Struktur, bei der ein reaktiver (Reaktive Steuerung) und ein planender Ansatz (Wegeplanung) parallel arbeiten. Die Reaktive Steuerung übernimmt die Führung des Fahrzeuges, während die Wegeplanung einen Routenplan generiert. Steht ein Routenplan zur Verfügung, arbeitet die Wegeplanung diesen ab. Für die Reaktive Steuerung wurde ein neues Verfahren zur geometrischen Konstruktion von Gradientenlinien entwickelt. Es verbindet die Vorteile des von Guldner entwickelten Verfahrens der Harmonischen Dipolpotentiale mit der Forderung einer wegoptimalen Fahrweise unter Berücksichtigung des nichtholonomen, verzögerten Bewegungsverhaltens des Fahrzeuges. Durch die Forderung der online-Erzeugung eines Routenplanes unter Gewährleistung des Echtzeitverhaltens des Systems wurden graphenbasierte Verfahren für die Wegeplanung untersucht. Diese Verfahren ermöglichen es, einen optimalen Weg nach definierten Vorgaben in einer kalkulierbaren Zeit zu ermitteln. Zwei neu entwickelte Verfahren zur Generierung eines geometrischen Graphen aus einem Konfigurationsraum mit elliptischen Objektzylindern sowie ein Algorithmus zur Bestimmung der Fahrtkosten unter Einbeziehung der Strömungsinformation werden detailliert beschrieben. Obgleich das in dieser Arbeit vorgestellte Führungskonzept für ein Autonomes Unterwasserfahrzeug entwickelt wurde, können Teile dieser Arbeit auch für boden- und luftgeführte Autonome Mobile Systeme angewandt werden.Auch im Buchhandel erhältlich: Intelligentes Führungskonzept für ein autonomes Unterwasserfahrzeug in Sondersituationen / von Mike Joachim Eichhorn . - Düsseldorf : VDI-Verl., 2007. XIII, 172 S.. : Ill., graph. Darst. ISBN 978-3-18-512708-3 Preis: 51,30

Wahrscheinlichkeitsbasierte Methoden zur autonomen Führung von Fahrzeugen in unsicherer Umgebung

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Ein Beispiel zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter: Konstruktives Design und Steuerungsentwurf

In dieser Arbeit werden die wesentlichen Ergebnisse zur Konstruktion des RoboCup-Small-Size-Roboters LUKAS und des Aufbaus der koordinierenden Mastersoftware XBase vorgestellt. Der dreirädrige Roboter setzt ein hierarchisches Konstruktionskonzept um, welches hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität und Robustheit durch technische Funktionsintegration einer minimalen Anzahl von Bauteilen realisiert. Spezielle Material- und Strukturlösungen finden sich im Polyamid-Chassis, im motorintegrierenden Dribbler und im energieeffizienten Schussmechanismus. Nach Analyse der kinematischen und dynamischen Zusammenhänge konnte für den Roboter eine Reglerarchitektur entwickelt werden, die unter Berücksichtigung von Radschlupf und Schwerpunktverlagerung die omnidirektionale Manövrierbarkeit und Bewegungspräzision gestattet. Die Mastersoftware XBase kann sowohl als Multi-Roboter-System unter der Kontrolle einer Verhaltenssteuerung, wie auch als verteiltes Multi-Agenten-System mit mehreren parallelen Verhaltenssystemen fungieren. Stabile Bildraten der Bildverarbeitung und geringer Berechnungsaufwand werden durch ressourcenschonende Operationen garantiert. Ein geeigneter Trainingseinstieg wurde mit Formationsvarianten zurDieser Publikation liegt die Arbeit mit dem Titel „Ein Beitrag zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter“ [urn:nbn:de:gbv:ilm1-2009000169] zu Grunde, die der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau als Dissertation vorgelegen hat

Ein Beitrag zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter

This work presents the main outcomes of the design of LUKAS, a robot in the RoboCup Small Size League, and of the development of a structure for the coordinating software, XBase. The fact that both compactness and the necessary mass-power ratio of the robot were achieved is mainly due to the configuration: three wheels and an orthogonal axle. The polyamide chassis, the backspin engine integrated into the dribbler, and the energy-efficient goal shooting mechanism, all make use of special ideas for material and structure. It has omni-directional Stanford wheels which guarantee smooth running, traction and stability on a steady basis. The design is basically sandwich construction. This is a means of using the integration of technical functions and a minimal number of components to ensure high reliability, flexibility and robustness. It was possible to develop control architecture for the robot on the basis of kinematic and dynamic mathematical analysis so that omni-directional manoeuvring and precise positioning are permitted because wheel slippage and changes in the centre of gravity are registered. The master software, XBase, has been developed to combine a user-friendly man-machine interface with a toolbox, to enable all the robots’ systems to be coordinated and moving objects in the field to be detected by customised image processing. A look-up table with maximum-likelihood colour classification is one of the means by which stable picture rates and economical computation are achieved. Others are picture segmentation with line coincidence procedure and resource-protective operations. For a group of robots, suitable training exercises have been devised using different formations so that they can be controlled in a coordinated way. This model for the formation permits transition, by individual release of parameters, from a rigid to a flexible network. The flexibility and adaptability of the robot group is demonstrated using three types of formation, bloc, line and rout. The XBase system devised will run either as a multi-robot system managed by a single behaviour control system, or as a multi-agent combination managed by several parallel behaviour controls.In dieser Arbeit werden die wesentlichen Ergebnisse zur Konstruktion des RoboCup-Small-Size-Roboters LUKAS und des Aufbaus der koordinierenden Mastersoftware XBase vorgestellt. Die erreichte Kompaktheit und das notwendige Masse-Leistungs-Verhältnis des Roboters beruhen im Wesentlichen auf der orthogonalen Achskonfiguration. Spezielle Material- und Strukturlösungen für Leichtbau und Bauraumnutzung finden sich im Polyamid-Chassis, im motorintegrierenden Dribbler und im energieeffizienten Schussmechanismus. Im Einsatz sind omnidirektionale Räder mit solider Rundlauf-, Traktions- und Stabilitätseigenschaft. Der dreirädrige Roboter setzt ein hierarchisches Konstruktionskonzept um, welches hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität und Robustheit in verstärktem Maße durch technische Funktionsintegration einer minimalen Anzahl von Bauteilen realisiert. Nach Analyse der kinematischen und dynamischen Zusammenhänge konnte für den Roboter eine Reglerarchitektur entwickelt werden, die unter Berücksichtigung von Radschlupf und Schwerpunktverlagerung die omnidirektionale Manövrierbarkeit und Bewegungspräzision gestattet. Die weiterentwickelte Mastersoftware XBase verbindet eine modifizierten Bildverarbeitung zur Detektierung der Roboter und eine anwenderfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle mit dem Instrument zur Roboterkoordinierung. Stabile Bildraten und geringer Berechnungsaufwand werden durch die Verwendung einer Look-Up-Tabelle zur Maximum-Likelihood-Farbklassifizierung, Bildsegmentierung mit Zeilenkoinzidenzverfahren und ressourcenschonende Operationen garantiert. Ein geeigneter Trainingseinstieg wurde mit verschiedenen Formationsvarianten zur koordinierten Kontrolle einer Robotergruppe gefunden. Das Modell gestattet durch individuelle Freigabe von Freiheitsgraden einen Übergang vom starren zum flexiblen Verband. Anhand der Beispielformationen Block, Reihe und Rotte ist die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit dargestellt. Das System XBase kann sowohl als Multi-Roboter-System unter der Kontrolle einer Verhaltenssteuerung, wie auch als verteiltes Multi-Agenten-System mit mehreren parallelen Verhaltenssystemen fungieren