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Design und Realisierung einer experimentellen Plattform für

1. 4 8 2 Prototypischer Aufbau der Plattformen 8 3 Antriebsebene a a 8 4 Skizze f r die Ebene der Ballsensoren 2200 8 5 Skizze f r die Ebene der Umgebungssensoren 8 6 Kontaktstellen f r die Kontrolle bei der Drehen der Umgebungssensoren 8 7 Alle Ebenen des Roboters 8 8 Einzelteile der Roboterplattform 8 9 Entwicklungsumgebung der Programmiersprache Interactive C 8 10 Bewegungsm glichkeiten des Antriebssystems 8 11 Bewegungsm glichkteiten Himmelsrichtungen 8 12 Bewegungsm glichkteiten Radius 7 5 cm ber Rad X und Rad Y 8 13 Bewegungsm glichkteiten Radius um Rad X 8 14 M glichkeit den Roboter mit Formeln zu steuern TR 02 8 15 M glicher Spielzug Ballabschirmen 8 16 Bewegungsablauf beim Wall Follow 0 8 17 M gliche Spielz ge Schnell hinter dem Ballkommen 8 18 Sense Plan Act Architektur 222 22 Hmm nn 8 19 Subsumption Architektur 8 20 Roboter mit omnidirektionaler Kamera 8 21 Die Experimentelle Roboterplattform E 1 Antriebsebene ee E 2 Ebene 2 bzw Ebene 4 a a ES Ebene 6 s ao a sorori aa an an EA Ball Sensor Ebene ES Umgebung Gensor Ebene F 1 Servoschema von Mr Robot MrR 1 Einleitung Ist RoboterfuBball
2. 100 x Motor 3 100 Radius ca 75 mm uber o Radius ca 75 mm ber Rad 1 und Rad 2 EI Rad 1 und Rad 2 linksrum vi F ll rechtsrum Motor 1 100 Motor 1 0 Motor 2 100 Motor 2 0 Motor 3 0 Motor 3 0 Radius ca 75 mm Uber Rad 2 und Rad3 linksrum Radius ca 75 mm Ober Rad 1 und Rad3 linksrum Sig ZS Motor1 0 Motor 1 100 A er Motor 2 100 Motor 2 0 Motor 3 0 Motor 3 0 Radius ca 75 mm ber Radius ca 75 mm ber Rad 1 und Rad3 Rad 2 und Rad3 rechtsrum rechtsrum Abbildung 8 12 Bewegungsm glichkteiten Radius 7 5 cm ber Rad X und Rad Y Ba Motor 1 0 Ba De Motor 2 100 Sa Ki Pi Motor 3 100 Radius um Rad 1 N Motor 1 100 ef 17 1 cm o Motor 2 0 linksrum E Motor 3 100 4 Radius um Rad 2 17 1 em Motor 1 0 rechtsrum N Motor 2 100 Motor 3 100 Radius um Rad 1 17 1 cm EE b Motor 1 100 Motor 2 0 Motor 3 100 Radius um Rad 2 17 1 cm linksrum Motor 1 100 Motor 2 100 Motor 1 100 Motor 3 0 N Motor 2 100 Radius um Rad 3 Motor 3 0 17 1 cm Radius um Rad 3 17 1 cm N linksrum e k at u rechtsrum Abbildung 8 13 Bewegungsm glichkteiten Radius um Rad X Es gibt nun verschiedene M glichkeiten eine Bibliothek f r dieses Antriebssystem zu er stellen Eine M glichkeit besteht darin alle 3375 Bewegungsm glichkeiten in einer Datei Bewegung zu deklarieren
3. Dies kann wie folgt aussehen M glichkeit 1 void stop motor mot_1 stufe0 motor mot_2 stufe0 motor mot_3 stufe void norden motor mot_ stufe 7 motor mot_ stufe 7 void sueden motor mot_ stufe 7 motor mot_ stufe 7 Diese Funktionen k nnen dann im eigentlichen Programm aufgerufen werden in dem man zum Beispiel alle m glichen Situation die der Roboter meistern muss in einem Zustands Automaten unterbringt o action Stop undefinierte Situation x if state 0 stop x action 1 fahre nach Norden x else if state 1 norden x action 2 fahre nach Sueden else if state 2 sueden W hrend der Programmierung wurde jedoch aus Mangel an Hauptspeicher im MIT Board 6 270 in der Datei Bewegung nur eine Funktion deklariert die die Leistung der einzelnen Motoren erwartet M glichkeit 2 void antrieb int ml int m2 int m3 motor mot_1 m1 motor mot_2 m2 motor mot_3 m3 Um nun die erw nschten Bewegungsm glichkeiten zu bekommen wird im Programm die Funktion folgenderma en aufgerufen x action if state Stop undefinierte Situation 0 antrieb stufe0 stufe0 stufe action 1 fahre nach Norden x else if state 1 antrieb stufe7 stufe7 stufe0 x action 2 fahre nach Sueden else if state 2 antrieb stufe7 stufe7 stufe Diese Art Bibliothek geht davon a
4. die ber eine Vorrichtung wie Schaufel oder Einkerbungen zu erreichen ist Je doch sind diese Robotertypen nicht so feinf hlig um den Ball am Roboter zu fixieren denn bei Kurvenbewegungen neigt der Ball aus der F hrung zu gleiten Wenn man sich nicht ganz an die Regeln der RoboCup Junior Soccer League h lt sieht man auch Robotertypen die eine Fangvorrichtung f r den Ball installiert haben um dem Ball bei der Drehung des Roboters unter Kontrolle zu halten Bei vielen Robotertypen in der RoboCup Junior Soccer League ist eine Schussvorrichtung aus bautechnischen Gr nden selten zu sehen da die Roboter einen zus tzlichen Motor bzw Servo ben tigen und diese Vorrichtung zu viel Platz einnimmt Deshalb wird meistens der Ball entweder durch schnelles Auftreffen oder durch schnelles Drehen des Roboters und abruptes Stoppen beschleunigt um somit dem Ball in die entsprechende Richtung zu schie en Fazit Die Nachteile der Roboterbauk sten von LEGO MINDSTORMS liegen klar auf der Hand denn das gr te Manko des RCX ist dass er nicht die n tige Anzahl von Sensoren und Motoren Ein Ausg nge hat um eine exakte Positionsbestimmung und Navigation zu ei nem gew hlten Ziel zu gew hrleisten Die Sensoren f r die Ballerkennung sind bei vielen Robotertypen starr nach vorne ausgerichtet wobei diese Art Sensorik bei einer falschen Installation ungenaue Informationen ber die Ballposition bermitteln Durch die Differenzi alsteuerung entst
5. die das Licht ben tigt um zum Sensor zur ckzukehren las sen sich die Entfernungen zu den Objekten berechnen Diese liefern Entfernungsmessungen f r einen Bereich von 180 vor dem Roboter mit einer Aufl sung von 0 5 und einer Genau igkeit von 1 cm Mit dem Laser Scanner bestimmt der Roboter seine eigene Position auf dem Feld und misst die Position anderer Roboter Die Kamera ist ein unverzichtbarer Sensor f r alle Fu ball Roboter Beim CS Freiburg werden Digitalkameras des Modells DFW V500 von Sony verwendet Sie dienen dazu den Ball anhand seiner Farbe zu erkennen Eine weitere Hardwarekomponente der Roboter sind die Notebooks auf denen ein Linux Betriebssystem l uft Die Kamera ist ber eine Firewire Schnittstelle direkt mit dem Computer verbunden ber USB k nnen die Motoren und der Laser Scanner angesteuert werden und eine WLan Karten unterst tzt die Kommunikation unter den Mitspielern und mit einem Server au erhalb des Spielfeldes Weiterhin gibt es Robotertypen dieser Gr enordnung die ihre Umgebung mit einem omni direktionalen Spiegel beobachten Die Kombination der Sensorik erm glicht dem Roboter eine eigenst ndige Navigation mit Hilfe der Bildverarbeitung dem Gyroskop und den Radantrieben Die Erkennung des Balles und anderer Roboter wird ebenfalls mit Hilfe der Kamera durchgef hrt Die notwendige Kommunikation zwischen den Robotern und evtl vorhandenen Server ist bidirektional mit Hilfe eines drahtlosen Netzwerkes m
6. sse Am Trigger Pulse Input ist ein mindestens 10 ms langer Impuls anzulegen um eine Messung zu star ten Daraufhin wird ein Ultraschall Impuls abgestrahlt und der Echo Pulse Ausgang auf Be triebsspannung gelegt Sobald das erste reflektierte Signal wieder beim Sensor eintrifft wird dieser Ausgang wieder auf Masse gezogen Die L nge dieses High Impulses ist also direkt proportional zur gemessenen Entfernung Der Anschluss des SRFO4 an einem Controller board muss individuell betrachtet werden Beim Handyboard Handy ist es problemlos Der Echo Pulse Ausgang des Sensors wird mit einem Digital Eingang des Handyboards verbun den Der Trigger Pulse Eingang kommt an einen Digitalausgang auf dem Expansionboard Beim Vorg ngermodell MIT Board 6 270 muss eine zus tzliche Platine auf dem Controller board integriert sein damit die gleichen Ein und Ausg nge zur Verf gung stehen 7 5 1 4 Ball Sensoren Um den Spielball Roboball MK2 WRPLO03 zu erkennen ben tigt man Sensoren die spe ziell f r diesen Ball entwickelt wurden Bill Corcoran Josh Bennion Geodie MacDonald und Andrew Franzosen konstruierten den Bellarine RoboBall Sensor und brachten ihn in der RoboCup Junior Soccer WM 2000 zum Einsatz Der Sensor ist in zwei ge tzt Leiterplatinen aufgeteilt Auf der einen Platine sind 4 QSD723 Fototransistoren angebracht die mit zwei Kabeln an die zweite Platine angeschlossen sind die f r die Auswertung der Messinforma tionen zust ndig
7. 180 cm Die Roboter k nnen vollst ndig oder teilweise autonom sein Als Ball dient ein gelber Tennisball Abbildung 4 10 Roboter der RoboSot League FIRA 04 4 2 4 KheperaSot Bei dieser Kategorie d rfen die Roboter maximal einen Durchmesser von 6 cm haben Sie m ssen vollst ndig autonom agieren Es spielt 1 gegen 1 Das Spielfeld ist 105 cm x 68 cm gro Als Ball dient ein wei er oder gelber Tennisball Abbildung 4 11 Roboter der KheperaSot League FIRA 04 4 2 5 HuroSot Die Roboter in dieser Klasse m ssen sich auf zwei Beinen fortbewegen und d rfen eine H he von 40 cm und einen Durchmesser von 15 cm nicht berschreiten Es d rfen maximal 3 Spieler in einem Team sein Abbildung 4 12 Roboter der HuroSot League FIRA 04 4 2 6 SimuroSot In dieser Liga werden Roboter wie auch bei der RoboCup Initiative durch Softwareagen ten reprasentiert die mit einem Simulatorprogramm verbunden werden und einen Spieler innerhalb des Simulators steuern Der Simulator vermittelt den Softwareagenten ein funk tionierendes reales Roboterfu ballsystem Aufgrund dieser Idealisierung ist es wesentlich einfacher m glich Algorithmen zu testen und komplexe Lernstrategien zu erproben die zum Beispiel w hrend der Entwicklungs und Trainingsphase eine hohe Zahl von Lernzyklen be n tigen Abbildung 4 13 Roboter der SimuroSot League FIRA 04 5 Existierende Robotersysteme In diesem
8. 3 100 Motor 1 100 wenn der Motor 2 100 Roboter gerade aus NO zu weit Weg von Richtung N der Wand ist Norden SE nn I Motor 3 100 NW SW wenn der ph Sn Roboter zu nah an der Wand ist Wand Abbildung 8 16 Bewegungsablauf beim Wall Follow Wall Follow Der Roboter f hrt in einem bestimmten Abstand an der Wand lang 5 Line Follow Der Roboter f hrt auf einer Linie entlag wobei der Roboter mit einem Reflexkoppler den Farbunterschied der Linie und dem Untergrund analysieren kann Abbildung 8 17 verdeutlicht weiterhin dass der Roboter durch geschickte Ansteuerung der Motoren in der Lage ist schneller als die blichen Antriebssysteme hinter dem Ball zu kom men um dann weiter zum Tor vorzudringen Dies ist jedoch nur durch die Kombination von Ballsensorplattform und Antriebsystem m glich denn der Roboter muss die Kontrolle des Balls immer aufrecht halten um an ihm gegebenenfalls vorbei zu fahren MV 2 N j aa Ge NW K NO sw so S den E g NW ee sw so x S den H N ae TX Norden Rad 2 Wei Ane E E ES Abbildung 8 17 M gliche Spielz ge Schnell hinter dem Ball kommen 8 2 4 Programm Strategien Durch die M glichkeit dass sich die Sensoren ob nun Ball oder Umgebungssensoren in alle Richtungen drehen k nnen liegt die Spielstrategie darin den Ball so schnell wie m glich zu finden und dann immer unter Kontrolle zu halten Dies gesc
9. 7 5 3 Radencoder 2 2 2222 moon nn 7 5 4 Kompass Sensoren 224424544 ESR A An a 7 5 5 Kamera Sensoren sx 00009804804 800 ae 7 6 Controllerooard s a as an aaa ua anne T s ENS VEDA lt wus A nr ia ia RE de 7 7 1 Hinweise zu Auswahl und Anschluss der Akkus 7 8 Zus tzliche Hardware 8 Konstruktion und Realisierung 8 1 Konstruktion und Auswahl der Hardware o aooaa aa 8 1 1 Plattform des Roboters 8 1 2 Peripheriebauteile des Roboters 8 1 3 Antriebs Ebene 8 1 4 Sensoren Ebene 02 SOWIE EE 8 2 1 Entwicklungsumgebung 2 2 nme 8 2 1 1 Die Programmiersprache Interactive C 8 2 2 Programme f r den Pocket PC 8 2 3 Bibliothek des omnidirectional Antriebssystems 8 2 4 Programm Strategien 2 6646 24 a2 2525 A 8 2 5 Architektur des Programms 22m mann 8 2 6 Allgemeines ber die Programmierung des Roboters 8 3 Ergebnis der ABET e s i ce ec a ea e Ee u de we SA PAUSDICA csr isa adas aa ae A Schaltplan Verst rker B Datenblatt Sharp Sensor GP2D12 54 54 55 55 57 57 58 58 59 59 60 62 62 64 65 65 66 69 69 69 71 71 71 72 74 75 78 78 78 79 79 87 87 89 89 89 92 93 G Handyboard Ballsensoren der Firma Wiltronics Konstruktionszeichnungen Aufbau eines Servo Inhalt der CD Rom Literaturverzeichnis 97 98 100 104 105 107 Abbi
10. Ball anzu fahren so dass die gew nschte Zielrichtung nicht erreicht werden kann Dies trifft meistens dann zu wenn der Ball an der Bande liegt Andererseits erfordern ver nderte Spielsituatio nen eine l ngerfristige Kontrolle des Balles Um die F higkeit des Ballf hrens zu erm gli chen verf gen viele Fu ballrobotertypen ber Vorrichtungen wie Schaufeln oder Einkerbun gen Schuss Der Roboter muss neben der Ballf hrung auch in der Lage sein den Ball st rker zu be schleunigen und somit einen Schuss auszuf hren Dies kann entweder durch schnelles Auftreffen des Roboters auf den Ball oder durch eine separate Schussvorrichtung erreicht werden Schussvorrichtungen des Roboters k nnen den Anlauf ersetzen der normalerwei se verwendet wird um Geschwindigkeit aufzunehmen und somit kann der Roboter direkt aus der Ballf hrung schie en Die Schussvorrichtungen bestehen in der RoboCup League meistens aus pneumatischen Konstruktionen oder rotierenden Fl chen Walzen die im Kon taktfall einen Teil ihrer kinetischen Energie dem Ball bertragen Der Nachteil derartiger Vor richtungen ist der zus tzliche Platz und Energiebedarf 6 1 1 Diskussion der bisherigen Umsetzungen In dieser Diskussion werden alle Arten der bisher konstruierten Robotertypen f r die RoboCup Junior Soccer League in Betracht gezogen wobei speziell auf die Robotertypen eingegan gen wird die mit den Roboterbauk sten der LEGO MINDSTORMS Familie LEGO kon s
11. Erfahrung zum Hintergrund dass der Kunde die wirklichen Anforderungen zum Projektbeginn meist noch nicht komplett kennt Er fordert Features die er nicht braucht und vergisst solche die ben tigt werden Dabei wird auf einen strikten Anforderungskatalog des Kunden verzichtet dennoch werden Kundenw n sche ber cksichtigt die sich w hrend der Entwicklung noch ergeben Statt des klassischen Wasserfallmodells durchl uft der Entwicklungsprozess immer wieder die Zyklen von Imple mentierung eines kleinen Schrittes Tests und eventuellen nderungen der Anforderungen st ndig verbesserte Prototypen Nur die im aktuellen Iterationsschritt ben tigten Features werden implementiert Es handelt sich um ein Gemisch aus verschiedenen Ideen insbesondere e Pair Programming Zwei Programmierer teilen sich eine Tastatur und Monitor einer codiert einer denkt mit e Integration in kurzen Abst nden e St ndiger Test Alle auch Kunden testen laufend e Laufende Refaktorisierung st ndige Architektur Verbesserung 4 Roboterfussball RoboterfuBball hat sich in den letzten Jahren zu einer Standardproblemstellung der Wissen schaft entwickelt wobei Anwendungsbereiche wie k nstliche Intelligenz Robotik autonome Multiagentensysteme Bildverarbeitung sowie Steuerungs und Regelungstechnik zu erfor schen sind Beim Roboterfu ball arbeiten intelligente Roboter kooperativ und koordiniert zusammen Sie sind in der Lage eine Aufgabe untereinander aufz
12. Kapitel soll ein Uberblich ber verschiedene Robotertypen deren F higkeiten und Funktionsweisen dargestellt werden Dabei werden im Speziellen auf die Robotersystemen der RoboCup Junior Soccer League eingegangen Des Weiteren werden hier auch Roboter einer anderen League kurz vorgestellt Dies kann und soll nur bis zu einem gewissen Grad geschehen um die vom Autor sp ter getroffenen Design Entscheidungen zu verdeutlichen und nachvollziehbar zu machen 5 1 Roboterbauk sten von LEGO MINDSTORMS In der RoboCup Junior Soccer League RCJ 04 werden haupts chlich Roboter mit den Ro boterbauk sten von LEGO MINDSTORMS LEGO konstruiert Diese Bauk sten beinhal ten einen programmierbaren LEGO Baustein auch Programmable Brick oder RCX Baustein genannt im typischen LEGO Geh use einen Lichsensor zwei Ber hrungssensoren zwei 9V Motoren und diverse Bauelemente Der RCX Baustein ist ein multitaskf higer Hitachi H8 3292 Microcontroller mit 16 KB ROM und 32 KB RAM Dieser Baustein verf gt ber drei Analogeing nge mit 10 Bit A D Wandlern f r Sensoren drei pulsweitenmodulierte Ausg n ge f r Motoren oder Lampen f nf frei w hlbare Programme ein LCD Display vier Steuer tasten und eine Infrarotschnittstelle zur Kommunikation Am Anfang sind es recht einfache Modelle die meistens mit dem Konstruktionshandbuch des Roboterbaukasten erstellt wer den Sp ter werden diese Typen immer ausgekl gelter Jedoch sind diese Art Roboter durch ihr ger
13. Konstruktion die Plattform rund um die maximale Fl che mit 22 cm Durchmesser auszunutzen Da f r eine Ballf hrung gerade Kanten ben tigt wurden mu te der Kreis damit versehen werden Diese Kanten m ssen zwischen den Antriebsr dern liegen Dies wird durch eine Grundform der Platform in Form eines gleichm Bigen Sechsecks erreicht F r den Schutz der Antriebsr dern bleiben an deren Seiten die Rundungen erhalten siehe Skizze 8 1 Abbildung 8 1 Skizze der Grundform der Roboterplattform Weiterhin soll die Plattform m glichst leicht umzubauen sein um evtl Konstruktionsteile zu ersetzen bzw bei der Installation der Elektronik besser an die Teilbereiche des Roboters zu gelangen Die Umgebungssensoren sowie die Ballsensoren werden auf Plattformen instal liert die durch Drehung der Plattform in jede m gliche Richtung schauen k nnen Ein wei terer Punkt ist dass der Roboter ein Rundum Bumper System bekommt das bei Kollision des Roboters mit Hindernissen wie z B der Wand oder bei Ausfall der Umgebungssensoren gr ere Sch den am Roboter verhindern soll Der Roboter soll bzgl seiner Bewegung recht flexibel sein deshalb wird ein neues Antriebssystem realisiert das im Kapitel 3 erw hnte Antriebssystem des omnidirectional Antrieb Dies soll f r diesen Roboter entwickelt und realisiert werden da es durch seine vielseitigen Bewegungsm glichkeiten dem anderen An triebssystemen berlegen ist Abbildung 8 2 Prototy
14. Mitspieler zu umgehen Bei diesen Robotertypen sind h ufig 4 Infrarot Sharp Sensoren siehe Kapitel 7 5 1 2 zu finden wobei blicherweise 3 Sensoren nach vorne ausgerichtet sind und 1 Sen sor nach hinten zeigt Die vorderen Sensoren sind berwiegend so angebracht dass die beiden u eren Sensoren in einem ca 45 Winkel zur Seite ausgerichtet sind und der mitt lere Sensor direkt nach vorne zeigt Diese Anordnung hat den Vorteil dass der Roboter mit den schr g angebrachten Sensoren die M glichkeit erh lt einen viel gr eren Bereich sei ner Umgebung zu kontrollieren und bei einem wall follow eine bessere Kontrolle besitzt wall follow hei t dass der Roboter mit einem im Programm festgelegten Abstand an einer Wand entlang f hrt und mit seinem Antriebsr dern diesen Abstand regulieren kann Mit die sen Umgebungssensoren haben die Roboter auch die M glichkeit festzustellen auf welcher Seite des Spielfeldes sie sich befinden Auf Grund der Boden und der Umgebungssensoren kann der Roboter seine Position im Spielfelde ermitteln Falls die Tore mit Beacons mar kiert sind haben die Roboter die M glichkeit festzustellen in welche Richtung sie fahren m ssen Bei einem Beacon handelt es sich um Infrarot Leutfeuer siehe Kapitel 7 3 Die Robotertypen die das MIT Board 6 270 installiert haben besitzen zus tzlich die M g lichkeit einen PDA anzuschlie en der ber eine globale Kamera die exakte Position d
15. Peripheriebauteilen effizi ent zusammenzuarbeiten Dazu geh ren die Anschlussm glichkeiten f r die Sensoren und Aktoren sowie eine M glichkeit eine Kommunikationsschnittstelle zu beinhalten An Hand der Planungsphasen zur Konstruktion des Roboters wurde eine Liste von m gli chen verwendbaren Peripheriebauteilen erstellt Darunter sind Anschlussm glichkeiten f r 4 Sharp 2 Ball 2 Boden 1 Kompass und 4 Beacon Sensoren sowie 6 Bumper 3 Ser vos 3 leistungsstarke Motoren 1 Resetschalter und 3 Infrarot Sensoren f r eine genaue re Ballerkennung vorhanden sein Weiterhin sollte die Rechenleistung des Controllerboards ausreichend sein um interne Aufgaben wie z B das gleichzeigte Ablaufenlassen mehrerer Tasks zu l sen Au erdem sollte das Controllerboard energiesparend sein denn je weniger Energiezellen gebraucht werden desto leichter ist der Roboter und desto schneller wird der Roboter Des weiteren sollte das Controllerboard die M glichkeit besitzen einen PDA anzu schlie en um die rechenintensiven Algorithmen auf den PDA auszulagern und eine Kommu nikation zwischen den Robotern zu verwirklichen Der Speicher des Controllerboards sollte gro genug sein um umfangreichen Programmcode zu verwalten Durch diese Vorgaben fiel die Konstruktion des Roboters mit dem RCX sowie seines Multi plexer von vornherein aus dem Konzept da diese Einheit nicht die n tigen Spezifikationen bez glich der Anschlussm glichkeiten f r die Sensore
16. Sensor aber mit Infrarot Strahlung arbeitet wird er durch andere IR Quellen wie Sonneneinstrahlung oder starke Scheinwerfer enorm gest rt Dadurch kann es vorkommen dass die Messungen u erst unzuverl ssig werden Die fremden IR Strahlen m ssen nicht einmal direkt in den Sensor gestrahlt wer den Es reicht schon eine diffuse Reflexion Der Sensor reagiert auf diese Fremdstrahlung mit einem sehr niedrigen Ausgangspegel so als w rde er kein Hindernis vor sich sehen Es gibt noch weitere baugleiche Sensoren die sich nur in ihrem Messbereich unterscheiden Der GP2D120 entspricht dem GP2D12 nur liegt der Messbereich bei etwa 4 cm bis 30 cm Weiterhin gibt es den GP2D150 der einen Messbereich von 20 cm bis 150 cm besitzt 7 5 1 3 Entfernungsmessung mit Ultraschall Ultraschall Sensoren wie im Kapitel 3 6 5 schon erkl rt wurde sto en einen kurzen hoch frequenter Schallimpuls aus und berechnen ber die Ankunftszeit der Reflexion auf einem Empf nger die Entfernung zu einem Objekt in der Umgebung Ultraschall Sensoren haben eine Reihe von Vor und Nachteilen Vorteilhaft ist dass sie unabh ngig vom Umgebungs licht sind und so nicht wie die IR Sensoren durch Sonneneinstrahlung etc gest rt werden k nnen Die gemessene Entfernung ist prinzipiell auch extrem genau je nach verwendeter Auswertelektronik liegen die Standardabweichungen im oder unter dem Millimeterbereich Blickrichtung des Sensors ausgesandter Impul refiektier
17. bernimmt ein Notebook das auf den Roboter montiert wird Dies erm glicht auch die Kommunikation zwischen den Robotern mit Hilfe von wireless LAN Schnittstellen Abbildung 5 4 FuBballroboter der Frauenhofer Gesellschaft ASI 04 5 5 Computer Science Freiburg Roboter Bei diesem Roboter CS F 04 handelt es sich urspr nglich um Pioneer I Roboter wie sie von der Firma ActivMedia Robotics hergestellt werden Allerdings wurde die Hardware deut lich erweitert und das Controller Board durch ein Pioneer II Board ersetzt Au erdem wurde eine Schussvorrichtung entwickelt die es nicht nur erlaubt Ober das ganze Feld zu schie Ben sondern auch ein F hren des Balls m glich macht Dazu sind an den Seiten Flipper angebracht die bei Bedarf heruntergeklappt werden Der Pioneer Roboter besitzt einen Dif ferentialantrieb welcher mit Sensoren unterst tzt wird Dabei werden die Drehbewegungen der beiden Antriebsr der gemessen wodurch R ckschl sse auf die Positions nderungen des Roboters m glich sind Allerdings sammeln sich dennoch mit der Zeit Fehler an so dass diese Art Positionsbestimmung durch andere Sensoren wie Laser Scanner und Kame ra unterst tzt werden m ssen Abbildung 5 5 Fu ballroboter der CS Freiburg CS F 04 Der Laser Scanner vom Typ SICK LMS200 geh rt zur Klasse der sogenannten Time Of Flight Sensoren Das Gerat sendet Lichtstrahlen aus die von den Objekten in der Umgebung reflektiert werden Aus der Zeit
18. der erste Schritt zur Entwicklung einer neuen k nstlichen Lebens form Um diese Frage beantworten zu k nnen muss gekl rt werden was sich hinter Robo terfu ball verbirgt und was Roboterfu ball ist Roboterfu ball ist eine Disziplin einer j hrlich stattfindenden Weltmeisterschaft f r teil autonome Roboter die in verschiedenen Klassen und Softwareagenten unterteilt sind Es ist eine internationale Entwicklung und Bildungsi nitiative mit dem Ziel die Entwicklung von k nstlicher Intelligenz und Robotern zu f rdern sowie eine gro e Zahl von Technologien zu untersuchen und zu integrieren Die Idee fu ballspielende Roboter zu entwickeln stammt aus dem Jahr 1992 von Profes sor Alan Mackworth AM 04 Ein japanisches Forscherteam organisierte im Oktober 1992 einen Workshop in Tokyo in dem erstmalig ernsthaft ber die Realisierung dieses Fu ball spiels zur Vermarktung von Technik und Wissenschaft diskutiert wurde Im Juni 1993 startete ein Forschungsteam einen ersten Wettkampf was innerhalb eines Monats vor allem au er halb Japans zu einer so gro en Resonanz f hrte Nach sehr vielen Nachfragen wurde dieses Projekt zu einer internationalen Initiative ausgebaut und die World Cup Initiative kurz Robo Cup RC 04 gegr ndet Einige Pioniere auf diesem Gebiet der Forschung und Entwicklung beteiligten sich an dem Projekt und stellten ihre Forschungsergebnisse ohne die das Projekt nie h tte realisiert werden k nnen zur Verf g
19. des Kurzschlusses Sie k nnen entweder an einem digitalen oder analogen Eingang eines Controller Board angeschlossen werden Jedoch erbringen diese Art Sensoren nur wenige Informa tionen nur ob der Roboter ein Hindernis kontaktiert hat Ziel sollte es aber sein Hindernisobjekte zu erkennen bevor der Roboter gegen sie st t um im schlimms ten Fall eine Verkeilung zu verhindern Deshalb kommen Ber hrungssensoren in der Regel nur als Notausschalter zum Einsatz Ihre Reichweite kann mit entsprechen den mechanischen Konstruktionen wie B geln etc vergr ert werden liegt aber im Allgemeinen im Bereich von wenigen Zentimetern um den Roboter e Die zweite Klasse von Abstandsmessern besteht aus Sensoren hnlich den Ber h rungssensoren die Objekte innerhalb eines bestimmten Entfernungsbereiches erken nen k nnen und ein Signal abgeben wenn die Entfernung des Objekts einen bestimm ten Schwellwert unterschreitet Die Sensoren liefern also nur ein bin res Ausgangssi gnal Entweder Objekt erkannt oder kein Objekt Ihre Reichweite kann aber 50 cm und mehr betragen e Die dritte Klasse liefert Informationen ber die tats chliche Entfernung eines Objektes Sensoren dieser Kategorie kommen in den meisten Anwendungen zum Einsatz denn sie sind flexibel einsetzbar und k nnen mit unter die Aufgaben der Sensoren der ersten beiden Kategorien bernehmen Je nach Sensortyp gibt es aber in der Regel einen Totbereich in unmittelbare
20. diese aus einer Laserdiode und einer Empf ngerdiode Die Laserdiode sendet entweder gepuls tes oder stetiges Laserlicht aus Die Empf ngerdiode mi t die Reflexion des ausgesendeten Lichts auf entfernten Objekten und liefern auf diese Art Informationen ber die Umgebung des Sensors Durch eine Messung der Signallaufzeit kann bei gepulsten Lasern zudem die Entfernung zum Objekt bestimmt werden Durch die gro e Reichweite der Laserdioden k n nen Laser Sensoren eine Reichweite von mehreren hundert Metern besitzen blicherweise sind diese Sensoren aufgrund ihrer Komplexit t gr er und damit f r den Einsatz in Minia turrobotern ungeeignet 3 6 7 Kamera Sensor Kamera Sensoren liefern ein Bild ihrer Umgebung das mit Hilfe von bildverarbeitenden Sys temen ausgewertet werden kann Kamera Sensoren werden blicherweise zur Objekterken nung eingesetzt Zwei grunds tzliche Sensortechnologien werden f r Kamera Sensoren ein gesetzt Einerseits werden die blichen CCD Kameras charge coupeled device verwendet und andererseits existieren neuere Kameras in CMOS Technologie die eine geringere Ver sorgungsspannung ben tigen als die CCD Kameras 3 6 8 Kompass Sensor Mit Hilfe eines Kompass Sensors kann die absolute Ausrichtung des Roboters bestimmt wer den so fern man von einem beschrankten Arbeitsbereich auf der Erdoberflache auBerhalb der Umgebung der beiden magnetischen Pole ausgeht Es existieren sowohl mechanische als auch elektroni
21. e 1 Mikroschalter f r den Notausschalter 4 Sharp Sensoren e 1 Verst rker f r die Sharp Sensoren e 3 Beacon Sensoren e 1 IR Sensor Sender und Empf nger um den Ball am Roboter zu identifizieren Dient auch als Schutz f r das Controllerboard und versorgt die Sharp Sensoren mit Energie 8 1 3 Antriebs Ebene Die Antriebs Ebene erwies sich wahrend der Konstruktion als der schwierigste Teil des Ro boters Trotz fr her Entscheidung das omnidirektional Antriebssystem zu integrieren gab es bei der Konstruktion immer wieder Probleme mit der Umsetzung da es bei dieser Ebe ne sehr wichtig ist dass die Motoren alle symmetrisch auf die Plattform angeordnet sind Bei dem ersten Versuchen wurden die Motoren direkt an den Allseitenr der omnidirecti on wheel angebracht Die Motoren die f r die Entwicklung zur Verf gung stehen haben jedoch ein sehr geringes Drehmoment wodurch der Roboter durch die Direktmontage sehr langsam wurde Deshalb konzentrierte man sich auf ein Konzept der Untersetzung Dabei wurde versucht die Motoren und die R der ber einen Riemensystem anzutreiben um das Getriebe im Inneren des Motors zu entlasten bzw dies vor Besch digung zu sch tzen Am Motor selbst wurde eine gr ere Antriebsscheibe befestigt als an dem Rad selber wodurch der Roboter theoretisch schneller wird Dieses Konzept wurde aus Mangel an Leistungs ber tragung verworfen denn der Riemen rutschte bei Belastung d
22. einfuhrenden Beschreibung von Multiagen tensystemen und mobilen Robotern die wichtigsten Grundlagen der einbezogenen Techno logiebereiche f r eine sp tere Diskussion von geeigneten Hard und Softwarekomponenten vermittelt Auf Grund der hohen Komplexit t eines mobilen Roboterentwurfs k nnen die be schriebenen Grundlagen nur bis zu einem gewissen Detailliertheitsgrad vorgestellt werden F r weitere Informationen wird auf weiterf hrende Literatur verwiesen JJAF 96 3 1 Kooperative autonome Multiagentensysteme Dieser Begriff setzt sich zusammen aus e Agenten Bezeichnet allgemein ein System das Informationen aus seiner Umgebung empfangen kann diese auswertet und in Aktionen umsetzt e Autonome Agenten So werden solche Agenten bezeichnet die sich selbst ndig in ihrer Umgebung bewegen k nnen und dabei unter wechselnden Bedingungen anpas sen k nnen e Kooperativen autonomen Multiagentensystemen Darunter versteht man mehrere von einander unabh ngige Systeme die mit ihrer Umwelt interagieren und die Zie le durch Zusammenarbeit erreichen 3 2 Roboter Das Wort Roboter stammt vom tschechischen Wort f r Leibeigener bzw Arbeiter ab Be nutzt wurde der Begriff erstmals in diesem Kontext in Karel Capeks 1921 erschienenen Theaterst ck Rossum s Universal Robots KC 20 Nach Definition des Robot Institute of America 1979 ist ein Roboter ein programmierbares Mehrzweckhandhabungsger t f r das Beweg
23. f r einen Roboter zu konstruieren der in der Lange ist an einem Roboterfu ballspiel teilzunehmen und dabei die offiziellen Regeln der RoboCup Junior Soccer League einh lt Weiterhin sollte der Ro boter einige Verbesserungen gegen ber existierenden Robotersystemen dieser League auf weisen Diese gestellten Zielsetzungen wurden durch die Installation des omnidirectional Antribssystems erf hlt da der Roboter dadurch flexibler gegen ber den bisherigen Syste men ist Durch den symmetrischen Aufbau der Plattform ist der Roboter nun in der Lage nicht nur in alle m glichen Richtungen direkt zu fahren sondern mit seinen Sensoren in alle m glichen Richtungen zu schauen Es erwies sich bei Erkennung und Kontrolle des Balles dass sich der Ballsensorscanner bestens bewert hat Das sich die Umgebungssensoren in alle Richtung drehen lassen erh ht die Flexibilit t des Roboter um ein vielfaches Die Platt form ist stabil und zum Teil in unabh ngige Ebenen unterteilt was einen schnellen Auf und Umbau des Roboters erm glicht Das Koppeln eines PDAs mit dem Controllerboard MIT Board 6 270 erm glicht nicht nur eine Kommunikation zwischen Robotern und oder einem Kamera Server sondern die Auslagerung rechenintensiver Programmteile auf den PDA 8 4 Ausblick W hrend der Diplomarbeit wurde eine Idee Vorstellung des Roboters entwickelt welche je doch aus zeitlichen und vor allem aus finanziellen Gr nden nicht komplett umgesetzt werden konn
24. kann man auch eine Kugel oder hnliches als dritten Auflagepunkt benut zen Die Kugel sollte auf einer Achse montiert sein so dass sie sich bei Vorw rtsfahrt drehen kann Bei seitlichen Bewegungen des Roboters rutscht die Kugel dann ber den Untergrund Man sollte generell darauf achten dass der Gro teil des Gewichtes auf den Antriebsr dern lastet Ein Problem beim Differentialantrieb ist die Geradeausfahrt Auf Grund bauartbeding ten Toleranzen der Motoren einer ungleichm igen Gewichtsverteilung des Roboters oder unterschiedlichem Untergrund unter dem einem und dem anderen Antriebsrad drehen sich die Motoren manchmal mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten obwohl an beiden die glei che Spannung anliegt Der Roboter driftet dann zu einer Seite ab Die Motorgeschwindigkeit muss dynamisch angepasst werden Dies geschieht durch eine Regelung welche die Mo torgeschwindigkeit w hrend der Fahrt berwacht und gegebenenfalls ndert Eine solche Regelung kann in Soft oder Hardware realisiert werden GEI O Abbildung 3 3 Differentialantrieb 3 5 2 Kettenantrieb Hier wird der Roboter nicht von Radern sondern wie ein Panzer von zwei Ketten angetrie ben Diese Antriebsform entspricht im Wesentlichen dem Differentialantrieb nachteilig ist der gr ere Realisierungsaufwand und das h here Gewicht Zu beachten ist auch der zumeist gr ere Schlupf der Ketten gegen ber R dern 3 5 3 Dreiradantrieb Ein Motor treibt ber ein D
25. nun ein MIT Board 6 270 MIT 04 oder ein ahnliches Controller Board der Baureihe welche im sp teren Verlauf n her beschrieben werden Diese Boards besitzen gen gend Ein und Aus g nge und ausreichend Prozessorleistung Weiterhin kann man durch eine Arbeit eines Di plomanden Mirco Gerling MG 03 einige Controller Boards an einem PDA anschlie en und rechenintensive Programmteile auf den PDA auslagern Abbildung 5 3 Beispiel f r eine Kombination von LEGO und MIT Board 6 270 5 4 Frauenhofer AiS Roboter Die Fu ballroboter des Instituts Autonome intelligente Systeme der Frauenhofer Gesell schaft ASI 04 sind f r den Einsatz in der RoboCup Middle Size Liga konzipiert und damit wesentlich gr er als die bisher vorgestellten Roboter Die Roboter sind als vollautonome Systeme konzipiert und besitzen eine Reihe von Sensoren die ein vollautonomes Verhal ten erm glichen Darunter ist eine um 360 schwenkbare Kamera die ihre Umgebung nach Objekten durchsucht und auf diese Weise den Ball sowie eigene und generische Roboter lokalisiert Die Navigation des Roboters wird zus tzlich durch einen Kreisel Sensor Gyro skop unterst tzt der Daten ber die Drehung des Roboters liefert Die Vermeidung von Zu sammenst en mit anderen Robotern wird durch Entfernungs Sensoren auf Infrarot sowie Sonar Basis und Bumper realisiert Der Roboter verf gt zudem ber einen eigenen pneuma tischen Schussmechanismus Die Datenverarbeitung
26. sehr leid Also damit bedanke ich mich herzlich bei allen die mich in irgendeiner Form unterst tzt ha ben DANKE DANKE DANKE Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Allgemeine Aufgabenstellung 2 1 2 2 Aufgabenstellung lt 2 2 22 422 222 22 2 28H lines baa e AAA 3 Grundlagen 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 Kooperative autonome Multiagentensysteme RODE A Gach a bah wide eG da Hh Ge ee ke Ge ES Bra 242 264 264 224 a4 da 444645 64 22 BS a 3 3 1 Absolute Verfahren 3 3 2 Relative Verfahren 3 3 3 Navigation mit Landmarken 264656 bs ee we we ee eS ANMOD lt s a si ad SS SE HG ah Bk dr Sed DG be eS a A 3 4 1 Pulsweitenmodulation 3 4 2 Motorenauswahl 3 4 3 Servomotoren aoaaa a a Antriebskonzepte 2 22254 25 eee eR na 3 5 1 Differenzialantrieb e 3 5 2 Kettenantrieb m nn 353 Dreiisdanllieb lt lt s dw 2 3 88 aaa a a a 3 5 4 Adsrmannlenkund i 2 lt 224456684 Reiner LEE 3 5 5 Omnidirectional Antrieb e SONSOMIE 1 eos Se ae We wy He ee daa a a Ow AE 3 6 1 Reflexkoppler E 2 cia sisas ae ee na 3 6 2 Radencoder Sensor 2 Hmmm nn 3 6 2 1 Mechanische Radencoder 3 6 2 2 Optische Radencoder 3 6 2 3 Photounterbrecher 3 6 2 4 Photoreflektoren 3 6 3 Entfernungssensoren lt i682 cs et e
27. und von der Leistungselektronik der Motorsteuerung ausgewertet werden 3 4 2 Motorenauswahl Bevor man einen Motor f r den Antrieb des Roboters an einem Controllerboard anschlie t mu man einige Berechnungen und Informationen auswerten denn bei dem Kauf eines Mo tors sind Angaben wie zum Beispiel Drehmoment Drehzahl Leistung usw zu beachten Um aus diesen Informationen den richtigen Motor zu ermitteln m ssen vorher bestimmte Eck daten des Roboters erfasst werden Dazu geh ren Informationen wie Geschwindigkeit v Gewicht m und Raddurchmesser a Zu erst mu betrachtet werden welche Kr fte auf einem Roboter wirken wenn dieser mit konstanter Geschwindigkeit f hrt siehe Abbildung 3 2 Dabei ist Fy die Kraft die den Ro boter vorw rts treibt Vortriebskraft Fr bezeichnet die Reibungskraft die der Vortriebskraft entgegengesetzt wirkt Fg ist die sogenannte Anziehungskraft die sich auch mit Fg m g vereinfachen l sst wobei g die Fallgeschwindigkeit y 9 81 angibt F F Abbildung 3 2 Kr fte am Roboter bei konstanter Geschwindigkeit Allgemein gilt 11 ist die Reibungszahl Welche Werte man hier einsetzen muss kann man in einem Ta bellenbuch nachschlagen MS 04 In diesem Fall entspricht sie der Gleitreibung von Rei fen auf Asphalt u 0 5 Fn ist die sogenannte Normalkraft und berechnet sich aus Fy Fe cosa Dabei ist cosa der Neigungsfaktor und hier 0 da der Roboter beim Fu ballspielen k
28. unterdr cken Alle Schichten haben unabh ngig davon ob sie gerade die Kontrolle ber den Roboter haben Zugriff auf einen Pool von Sensordaten Kein Ball Beacon Fahre durch die Gegend T or Abbildung 8 19 Subsumption Architektur 8 2 6 Allgemeines Uber die Programmierung des Roboters Wahrend der Programmierung des Roboters wurde versucht einen PDA in das System zu integrieren Dies erwies sich als nicht so revolutionar wie erwartet da sich die serielle Schnittstelle zwischen dem Controllerboard MIT Board 6 270 und den PDA als sehr lang sam erwies Eine schnelle Verbindung ist jedoch notwendig da der Roboter zeitspezifische Sensordaten an den PDA bermitteln diese dann dort ausgewertet und dem Controllerboard die notwendigen Befehle wieder zu bermittelt werden muss Deshalb wurde in dieser Arbeit der PDA nur soweit verwendet um das Programm auf dem Controllerboard zu starten und einige Informationen die keine zeitspezifischen Anforderungen ben tigen auf dem Display des PDAs darzustellen Es gibt dennoch eine Version des Programms die auf den Anschluss des PDA vollkommend verzichtet um den knappen Speicher des Boards nicht vollkommen auszusch pfen In dieser Version ist auch ein Sensor und Funktionstest integriert um vor dem eigentlichem Fu ballspiel alle Funktionen des Roboters kontrollieren zu k nnen 8 3 Ergebnis der Arbeit In dieser Diplomarbeit wurde versucht eine experimentelle Plattform
29. von LEGO MINDSTORMS mit Motoren und Sensoren LEGO sches System welches sich in einer hoch komplexen dynamischen Umgebung bewegt Alle Daten werden von Sensoren gemessen deren Genauigkeit bei guter technischer Ausstat tung sehr hoch sein kann jedoch trotzdem Messfehleren unterliegen Auch die Aktionsaus f hrung bewirkt Fehler welche durch die mechanische Bewegung der Motoren entstehen Da sich die Fehler summieren kann niemals davon ausgegangen werden dass die Mes sung von Sensorenwerten genau zu dem gew nschten Ergebnis f hrt Sowohl die Senso ren als auch die Motoren der verwendeten Roboterbauk sten der LEGO MINDSTORMS Familie stellen sich als anf llig heraus So erhalten die Roboter zum Beispiel ungenaue Werte von den Lichtsensoren oder fahren nicht geradeaus obwohl beide Motoren in der Programmierung mit der gleichen Leistung angesteuert werden Auch die Mechanik ist nicht einfach zu handhaben zum Einen m ssen die Roboter innerhalb der vorgegebenen Ma e der RoboCup Junior Soccer League konstruiert werden zum anderen m ssen sie so stabil konstruiert sein damit bei einer Ber hrung mit einem anderen Roboter auf dem Spielfeld keine Sch den entstehen Bei dem berwiegenden Teil der Roboter in der RoboCup Junior Soccer League basiert die Plattform auf einer Differentialsteuerung siehe Kapitel 3 5 Mit diesen Antriebsr dern kann der Roboter angetrieben und gelenkt werden wodurch der Ro boter sich um den Mittelpunkt der Antrie
30. werden als Radencoder bezeichnet und sind normalerweise auf der Antriebswelle eines Motors oder einer Achse befestigt ist Es kann auch ein Getriebe zwischen Motor und Rad gesetzt werden Man unterscheidet grob zwei Arten von Radenco dern absolute Messwertgeber und inkrementelle Messwertgeber Absolute Messwertgeber liefern ein Signal zur ck das eindeutig die aktuelle Position der An triebswelle bestimmt Inkrementelle Messwertgeber liefern eine Folge von Impulsen Jedes mal wenn sich die Welle oder das Rad ein wenig dreht ndert sich der Ausgangszustand von High auf Low oder umgekehrt Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit entspricht also der Drehgeschwindigkeit des Rades Die nachfolgend betrachteten Sensoren z hlen alle zu dieser Kategorie wobei die inkre mentellen Radencoder sich noch einmal in mechanische und optische Sensoren unterteilen lassen 3 6 2 1 Mechanische Radencoder Die Mechanische Radencoder besitzen eine rotierende Scheibe in die Schlitze gestanzt sind welche zur Erzeugung eines elektrischen Kontaktes dienen Bei der Drehung der Schei be entsteht eine Folge von Low High Low Impulsen Meist besitzen mechanische Encoder zwei solcher Scheiben deren Schlitze etwas versetzt voneinander angebracht sind denn dadurch ist eine Unterscheidung der Drehrichtung vor oder r ckw rts m glich Bild 3 7 verdeutlicht die Funktionsweise Kart MUNI BE HE 9 9 2 Kanal r Abbildung 3 7 Impulsfolge beim mechanischen Rade
31. 04 RC R 04 RC RSim 04 Abbildung 4 7 Roboter der RoboCup Junior Rescue League RC 04 4 2 FIRA Die FIRA Federation of International Robotsoccer Association wurde im September 1995 von Jong Hwan Kim am KAIST Korea Advanced Institute of Science and Technology in Ko rea gegr ndet und ist im asiatischen Raum weit verbreitet In dieser Initiative werden Spiele in 6 verschiedenen Kategorien abgehalten MiroSot Small Middle und Large League Naro Sot RoboSot HuroSot KheperaSot and SimuroSot Large und Middle League Alle Regeln der hier aufgef hrten League findet man auf der offiziellen Seite der FIRA FIRA 04 4 2 1 MiroSot In dieser Kategorie sehen die Roboter aus wie W rfel mit einer maximalen Kantenl nge von 7 5 cm Als Ball dient ein orangefarbener Golfball Ein Spiel dauert 2x5 Minuten netto das hei t bei Spielunterbrechungen l uft die Zeit nicht weiter Es gibt derzeit drei MiroSot Klas sen In der Small League spielen 3 gegen 3 auf einem 150 cm x 130 cm gro en Spielfeld In der Middle League spielen 5 gegen 5 auf einem 220 cm x 180 cm gro en Spielfeld In der Large League spielen 7 gegen 7 auf einem 280 cm x 220 cm gro en Spielfeld Die Roboter werden durch ein Hostsystem unterst tzt welches haupts chlich f r die globale Bildverarbeitung zust ndig sein soll ber dem Spielfeld in einer H he von ca 2 m ist zu diesem Zweck eine Farb CCD Kamera montiert die das gesamte Sp
32. 3 Cars 4 Copiers E Absolute Maximum Ratings Ta 25 C Vee 5V Parameter Symbol Rating Unit Supply voltage H Output terminal voltage V Operating temperature 10 to 60 C Storage temperature SC Light detector side Terminal connection The dimensions marked are O vo described the dimensions of GND lens center position O Voc Unspecified tolerance 0 3mm Notice In the absence of confirmation by devices specification sheets SHARP takes no responsibility for any defects that may occur in equipment using any SHARP devices shown in catalogs data books etc Contact SHARP in order to obtain the latest device specification sheets before using any SHARP device Internet Internet address for El ic Components Group htipy wew sharp co jplecg SHARP GP2D12 GP2D15 E Recommended Operating Conditions Parameter Rating Unit Operating supply voltage E Electro optical Characteristics MIN aL 111 10 Ta 25 C Vec 5V Unit Parameter Distance measuring range GP2D12 Output terminal voltage GP2D15 L 80em y Output voltage at High k ex Vv Vo Output voltageatLow LL Difference ofoutput voltage GP2D12 AVo Output change at L 80emto 10cm 175 20 Dedes GP2D15 vo SYS 2 Average Dissipation current Ice 1 s0m 77 o l 33 Note L Distance to reflective object 1 Using reflective object White paper Made by Kodak Co Ltd g
33. 3pc7v1 Printed Circuit Board Lead 12cm Red Hookup wire Lead2 12cm Black Hookup wire oo Copyright Wiltronics Research Pty Ltd 2001 LEGO is a registered Trademark of the LEGO Group of Companies RoboCup Junior is a registered name of the RoboCup Federation RoboBall is a Trademark of Wiltronics Research Pty Lid WILTRONICS RESEARCH PTY LTD PO Box 43 Alfredton 3350 AUSTRALIA Ph 61 3 5334 2513 Fax 61 3 5334 1845 http www wiltronics com au UR ONGS ESEARCH PTY LTD BELLARINE RoboBall SENSOR KIT RO218 Instruction Sheet RO218DC1V1 Page 2 of 2 Fig 5 RO218 Bellarine RoboBall Sensor Circuit Diagram Copyright Wiltronics Research Pty Ltd 2001 LEGO is a registered Trademark of the LEGO Group of Companies RoboCup Junior is a registered name of the RoboCup Federation RoboBall is a Trademark of Wiltronics Research Pty Ltd WILTRONICS RESEARCH PTY LTD PO Box 43 Alfredton 3350 AUSTRALIA Ph 61 3 5334 2513 Fax 61 35334 1845 http www wiltronics com au RE RESEARCH PTY LTD E Konstruktionszeichnungen Abbildung E 1 Antriebsebene Abbildung E 73 Ebene 2 bzw Ebene 4 Abbildung E 3 Ebene 3 150 Abbildung E 4 Ball Sensor Ebene Abbildung E 5 Umgebung Sensor Ebene Alle hier dargestellten Konstruktionszeichnungen wurden mit AutoCAD erstellt und sind in digitaler Form auf der begleitenden CD zu finden F Aufbau eines Servo MS455 Se
34. 70 siehe Ab bildung 7 10 der f r die Unterscheidung von einzelnen Graustufen geeignet ist Diese Art Reflexkoppler haben blicherweise 4 Anschlusspins und arbeiten mit einer IR Diode 5 V Beschriftung A weibe E Beschriftung 1002 4 IR LED Fototransistor top view Abbildung 7 10 Aufbau und Anschluss des CNY70 CNY 70 Falls eine Graustufenerkennung nicht ausreicht kann dieser wie folgt modifiziert werden Die in Abbildung 7 11 vorgestellte Schaltung erm glicht das sichere Erkennen einer roten Fl che auf wei em Grund Abbildung 7 11 Farberkennung mit Reflexkoppler Der CNY 70 kann diese Aufgabe nicht zufriedenstellend meistern da die sich die Menge an reflektiertem IR Licht bei hellgrauen bzw wei en und roten Fl chen nicht stark genug unterscheidet Die Schaltung verdeutlicht dass der Reflexkoppler aus zwei LEDs besteht eine rote und eine gr ne Je nach Zustand des Input Signals leuchtet eine der beiden LEDs die jeweils andere ist im Sperrzustand und dunkel Der rechte Zweig der Schaltung besteht aus einem einfachen Spannungsteiler wobei einer der Widerstande ein Fotowiderstand ist Durch das abwechselnde Schalten der roten und der gr nen LED indem man den Input Pin abwechselnd auf Plus und Masse legt wird ein Vergleich des Spannungsabfalls ber dem Fotowiderstand zur Erkennung der Farben angestellt Der Output Pin wird an einen Analog Digital Eingang des Controllerboards angeschlossen Nun ist zu b
35. Entfernungsmesser der Serie GP2D1xx Bei diesem Entfernungssensor handelt es sich um die dritte Kategorie Der GP2D12 GP2D12 von der Firma Sharp siehe Abbildung 7 4 arbeitet mit IR Strahlung und gibt einen zur ge messenen Entfernung proportionalen Spannungspegel aus siehe Abbildung 7 5 3 0 sg JL TJ rat Renectiviy al Bere Analog output voltage Vo V 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Distance to reflective object L cm Abbildung 7 5 Kennlinie eines GP2D12 Im Diagramm ist ein Totbereich bei Entfernungen unter 8 cm zu erkennen Die maximal aus wertbare Entfernung betr gt etwa 50 cm bis 60 cm Der Sensor verf gt ber ein Kabel mit 3 Adern Betriebsspannung Mass und Signal ber das er ohne weiteres mit einem Analog Eingang des Controllers verbunden werden kann Der Sharp Sensor besteht im Wesent lichen aus einer IR LED und einem sogenannten PSD Chip Position Sensitive Detector Dazu kommt noch ein wenig Auswert Elektronik Abbildung 7 6 verdeutlicht die Arbeitswei se des Sensors Das von der LED emittierte IR Licht wird von Objekten in unterschiedlicher Entfernung zu unterschiedlichen Punkten auf dem PSD reflektiert IR LED D l PSD A Abbildung 7 6 Funktionsweise eines PSD Je nach Auftreffpunkt gibt der PSD ber die Elektronik ein anderes Spannungssignal aus Der GP2D12 arbeitet zuverl ssig und l sst sich durch Materialeigenschaften Farbe Re flexionsverhalten etc nur wenig beeinflussen Da der
36. Hinweis und oder Fehlerbeseitigung verwendet werden k nnen Das Controller Board kann mit Hilfe eines Programmieradapters mit neuer Firmware programmiert werden um noch andere Module auf das Controller Board zu integrieren Abbildung 5 2 Lepomux v3 0 mit Sensor und Motorboard DCGL04 Durch diese Erweiterung des RCX stehen nun mehr Ein und Ausg nge zur Verf gung und er kann mit weiteren sinnvollen Sensoren best ckt werden Ein Prototyp eines Roboters der mit diesem Lepomux ausgestattet ist wurde von den Entwicklern des Multiplexer erstellt und getestet Dieser Roboter besteht berwiegend aus Standard Bauteilen des LEGO Technik Sortiments und wird mit je zwei Motoren auf beiden Seiten des Differentialantriebes gesteu ert An den Achsen der Antriebsr der sind zwei LEGO Shaft Encoder die zur Messung der zur ckgelegten Wegstrecke dienen und vier Entfernungssensoren der Firma Sharp so an gebracht dass in jeder Richtung eine Abstandsmessung erfolgen kann Weiterhin wurde ein Beacon Sensor angebracht der auf einem Servo montiert ist und zur Lokalisierung des gegnerischen Tores dient Zus tzlich ist ein zweiter Sevo f r den Schussmechanismus im Einsatz um den Ball zu beschleunigen Wird von seinen Erfinder LEPoMux genannt was aus der Produktbezeichnung LEGO Port Multiplexer ent standen ist 5 3 Kombination von LEGO Technik und MIT Board Diese Art Roboter haben nichts mehr mit dem RCX zu tun denn ihre Steuereinheit ist
37. Kauf genommen ns Motor 1 0 Motor 2 0 Motor 3 100 Radius ca 75 mm A NEES ber Rad 1 und Rad 2 yd lea Iinksrum S swi NW Le o wo L d eg nn be ner Norden Bet Pendelrad Seg _ P u PR Ss so no_ gt gt A Rad 2 oe a ek Motor 1 0 Q Motor 2 0 Motor 3 100 Radius ca 75 mm ber Rad 1 und Rad 2 I rechtsrum Abbildung 8 15 M glicher Spielzug Ballabschirmen Im folgenden Abschnitt werden Spielsituationen graphisch dargestellt um die Flexibilit t des Antriebssystems zu verdeutlichen In der Abbildung 8 15 ist eine typische Situation illustriert bei der zwei Roboter den Ball unter Kontrolle bekommen m chten Dabei ist der gegnerische Roboter welcher ber ein normalen Differentialantrieb verf gt dem Roboter mit der expe rimentellen Plattform unterlegen da das Drei Achsen Antriebsystem in der Lage ist durch geschicktes Umrunden des Balls diesen vor dem gegnerischen Roboter abzuschirmen Ein weiterer Vorteil der experimentellen Antriebssystem ist dass der Roboter beim Wall Fol low siehe Abbildung 8 16 bzw Line Follow die maximale Geschwindigkeit beibehalten kann und nur mit dem Rad welches f r das Geradeausfahren nicht verantwortlich ist den Abstand zur Wand bzw zur Linie steuert Beim Differenzialantrieb m ssen die beiden R der unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen um gegebenenfalls den Abstand zur Wand bzw zur Linie zu korrigieren Motor
38. Ready analog 21 Fi scanner void scanner_nach_rechts grad grad p grad if grad gt 180 grad 160 f_grad float grad servo_deg f grad void scanner_nach_links C F iv Abbildung 8 9 Entwicklungsumgebung der Programmiersprache Interactive C In der Interactive C Bibliothek gibt es Funktionen f r das Einlesen von Sensordaten und die Bereitstellung von Steuerdaten auf die Ausg nge Es gibt Zeit Ton Men und Diagnose Funktionen Die f r die Steuerung des Roboters verwendete Programmiersprache Interactive C bietet diverse Funktionen darunter die Funktionen f r die Beacon Erkennung Die Funk tionen sind f r den Empfang von Infrarot Signalen bestimmt void ir_receive_on void ir_receive_off void set_ir_receive_frequency int f int ir_counts int p 2was versteht man hier unter einfach Die Entwicklungsumgebung von Interactive C bietet eine grafische Oberflache zur Entwick lung und bertragung von Programmen auf den Roboter Diese Oberfl che beinhaltet die M glichkeit Statusmeldungen w hrend der bertragung von Code zu berwachen wobei es im unteren Bereich der Oberfl che einen kleinen Abschnitt gibt in dem man direkt Funk tionen aufrufen und damit die Funktionst chtigkeit des Roboters berpr fen kann Beim Aufruf von Interactive C versucht die Entwicklungsumgebung das Board des Roboters anzusprechen um den PCode f r den Grundbetrieb des Boards herunterzulade
39. SSS US S AA E gt Hochschule fiir Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Michael Manger Design und Realisierung einer experimentellen Plattform fiir RoboterfuBball Diplomarbeit eingereicht im Rahmen der Diplompriifung im Studiengang Technische Informatik am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule fiir Angewandte Wissenschaften Hamburg Betreuender Priifer Prof Dr Kai von Luck Zweitgutachter Prof Dr Gunter Klemke Abgegeben am 11 Mai 2004 Michael Manger Thema der Diplomarbeit Design und Realisierung einer experimentellen Plattform f r Roboterfu ball Stichworte mobile Roboter omnidirectional Antriebssystem RoboCup Junior Soccer League Kurzzusammenfassung In dieser Arbeit wird eine experimentelle Plattform realisiert Vor der Konstruktion des Roboters wurden Untersuchungen der schon verf gbaren Robotersysteme der Ro boCup Junior Soccer League durchgef hrt und Verbesserungsvorschl ge erarbeitet Die Regeln dieser League bilden die Grundlage bei der Konstruktion des Roboters Die Plattform ist stabil und in mehreren Ebenen unterteilt das einen schnellen Auf und Umbau erm glicht Das Antriebssystem ist mit omnidirectional R dern ausges tattet Mit diesem Antriebssystem ist der Roboter in der Lage in jede m gliche Rich tung zu fahren ohne sich drehen zu m ssen Der Sichtwinkel den in der RoboCup Junior Soccer League eingesetzten Ba
40. Spielern pro Mannschaft in der Sony Legged Robot League um den WM Titel Das Besondere an dieser League ist dass alle Roboter genormt sind Der AIBO besitzt an jedem Bein jeweils drei Gelenke der Kopfbereich kann um alle drei Achsen des Raumes bewegt werden ein Gelenk am Maul und selbst der Schwanz besitzt zwei weitere Gelenke die alle sowohl motorisch angesteuert als auch sensorisch ausgelesen werden k nnen Derzeit gibt es drei Typen von Robotern Sony AIBO ERS 210 Sony AIBO ERS 210A und Sony AIBO ERS 7 die alle f r diese League ge eignet sind Der Sony AIBO ERS 7 wird dennoch berwiegend benutzt da er einen schnel leren Prozessor und eine deutlich bessere Kameraaufl sung besitzt Da der Hauptsensor eine Kamera ist sind alle Objekte auf dem Spielfeld farbig codiert Dabei sind die Roboter entweder blau oder rot zu verkleiden Die gr ne Spielfl che hat eine L nge von 4 20 m und eine Breite von 2 70 m und wird mit einer 30 cm hohen Wand umrandet Die einzige erlaubte Umbauarbeit beim AIBO ist es eine drahtlose Kommunikationskarte einzubauen damit sich die Roboter untereinander verst ndigen k nnen Ein Match ist in zwei H lften amp 10 Minuten aufgeteilt wobei zwischen den beiden H lften eine 10 min tige Pause eingehalten wird Es gibt bei dieser League kein Unentschieden deshalb wird bis zum Elfmeterschie en nach ei ner 5 Minuten Verl ngerung weiter gespielt Bei Unterbrechungen wird die Zeit angehalten Es wird mit einem orange
41. Teil auf den Regeln der Small Size League Um die Kosten und den Aufwand bei dieser League zu reduzieren stehen beiden Teams die Nutzung einer gemeinsamen Bildverarbeitung welche am Rande des Spielfeldes steht zur Verf gung Dabei sollen nicht nur die Bildverarbeitung standardisiert werden sondern auch die Kommunikationsschnittstelle zwischen den Robo tern Die Plattform der Roboter ist bis zum heutigen Tag noch nicht ganz gekl rt jedoch versucht man auch hier eine Standardplattform zu integrieren um die Kosten zu reduzie ren Dabei wird berlegt eine Einschr nkung ber Ausstattung und Prozessorleistung des Roboters zu verh ngen Es sollen in einem Spiel welches 2x10 Minuten dauert nicht mehr als vier Roboter pro Team zu gelassen sein wobei einer der vier Roboter die Aufgabe des Torwartes bernehmen muss Die Roboter d rfen einen Durchmesser von 22 cm und eine Hohe von 15 cm nicht Uberschreiten Vorlaufig hat das Spielfeld eine Lange von 2 74 m und eine Breite von 1 52 m Der Spielball ist ein orangefarbiger Golfball mit einem Durchmesser von 45 mm Regeln 2004 RC EL04 4 1 7 RoboCup Junior League Der RoboCup Junior RCJ 04 ist eine projektorientierte Bildungsinitiative der RobotWorldCup Initiative die lokale nationale und internationale Roboter Veranstaltungen sponsert Sie soll Sch ler und Studenten die sonst nicht die M glichkeit haben mit Robotern zu arbeiten an Roboter heranf hren Die Roboter werden aus handel
42. and K to K soldering direct to the pads on the track side of the Sensor Block PCB This will allow the QSD723 s to be inserted into the holes of a single piece of LEGO D Ballsensoren der Firma Wiltronics Instruction Sheet Page 1 of 2 Fig 3 Assembled RoboBall Sensor Kit Modifications The array of QSD723 s can be impacted by ambient light it was determined that 4 pcs was the maximum that could be used in an array If ambient light is a problem the array could be reduced to 3 pes or extra shading could be used A trimming potentiometer trimpot RV1 is provided to adjust the sensitivity For those wishing to experiment further a resistor position Rx is provided so that an extra resistor can be added in parallel with R1 to reduce it s value Alternately R1 could be replaced with a trimpot at VR2 Make sure that the red LED is visible this will assist with programming It is surprising how often the sensor sees the ball but the programming does not respond This is usually due to the robot scanning too quickly Fig 4 Component List Control PCB R1 RS1435 390R 0 25W 5 resistor 1 Rx Not Fitted ohm 0 25W 5 Resistor VR2 Not Fitted 500R TL1 Trimpot RV1 PT8150 10K TL1 Trimpot 1 D1 4N4004 1 Amp Diode 1 LED1 LED 5MM R 5mm Red Led 1 Qt BC548 transistor 4 PCB1 213pc6v1 Printed Circuit Board 1 Lead LEGO lead cut to 10cm not supplied 1 Sensor Block PCB PH1 4 QSD723 Photo transistors PCB2 21
43. ars ee E Se Ao Ta EEE 41 5 2 Lepomux v3 0 mit Sensor und Motorboard DCGL04 42 5 3 Beispiel f r eine Kombination von LEGO und MIT Board 6 270 43 5 4 FuBballroboter der Frauenhofer Gesellschaft ASI 04 44 5 5 Fu ballroboter der CS Freiburg CS F 04 44 7 1 IR Beacon f r die Tor Erkennung aaa e eee 56 7 2 Roboball MK2 der Firma Wiltronics WRPLO3 56 7 3 Servomotoren Umbaubar zu einem Antriebsmotor 57 7 4 Sharp Entfernungsmesser der Serie GP2D1xx 59 7 5 Kennlinie eines GP2D12 7 6 Funktionsweise eines PSD o 2 7 7 Kegelf rmige Reflexion bei Sonarsensoren a und Spiegelreflexion b a 7 8 Frontansicht und Anschl sse des SRF04 SRF04 7 9 Funktionsweise eines Reflexkopplers 7 10 Aufbau und Anschluss des CNY 70 CNY 70 7 11 Farberkennung mit Reflexkoppler lt lt nen 7 12 optischer Radencoder Photoreflektor o SEHR aiii AA 7 14 Handy Board a und Expansion Board f r das Handy Board b Handy 7 15 Aksen Das Aktor und Sensorboard Aksen 7 16 Typisches Mini ITX Board Mini ITX lt lt o c lt lt cw cc 7 17 Hewlett Packard iPAQ Pocket PC H5550 o 8 1 Skizze der Grundform der Roboterplattform
44. bsachse drehen kann und dadurch sehr wendig ist Da beim RoboCup Junior Soccer League mit einem besonderen Ball siehe Kapitel 7 3 gespielt wird ben tigen die Roboter noch spezielle Sensoren um den Ball zu erkennen Dadurch reduziert sich die Anzahl der Sensorenvielfalt dieser Roboter noch weiter und ist nun begrenzt auf einem Ber hrungssensor ein Lichtsensor um die Grauschattierung der Spielfl che zu identifizieren und den Sensor f r die Ballerkennung 5 2 Erweiterte Bauteile fur das RCX Das gr te Manko der Roboterbauk sten der LEGO MINDSTORMS Familie liegt darin dass dem RXC nur wenige Ein und Ausg nge zur Verf gung stehen Dieses Problem wurde von einigen Diplomanden darunter Dietmar Cordes und Gunther Lemm DCGL04 durch die Entwicklung eines Multiplexer behoben Dieser Multiplexers hat als Prozessoreinheit einen MSP 430F1121A Die Hauptplatine des Lepomux besitzt eine Schnittstelle um verschie dene Module f r unterschiedliche Anwendungszwecke zu integrieren Dabei beinhaltet das Sensor Modul vier Anschlussm glichkeiten f r Infrarot Entfernungssensoren die speziell f r die Sharp Sensoren GP2D12 SHARP angepasst sind je vier LEGO kompatible Anschl s se f r diverse Sensoren und Motoren der Firma LEGO drei Eing nge f r Beacon Sensoren siehe Kapitel 7 3 zur Erkennung von IR Leuchtfeuern und vier Servo Ausg nge Zus tzlich sind 8 LEDs auf dem Modul angebracht die den Zustand der Motoranschl sse anzeigen und f r
45. ch wiederholte Messung relativer Bewegungen die absolute Position berechnen Dies geschieht in dem man mit den Messinstrumenten die Geschwin digkeit die Ausrichtung und die Zeit misst Aus Geschwindigkeit und Zeit lasst sich die zu ruckgelegte Strecke bestimmen die mit Hilfe der Fahrtrichtung auf den Bewegungsvektor im gemessenen Zeitraum schlie en l sst Wird der auf diese Weise bestimmte relative Bewe gungsvektor zur bisher berechneten Position addiert l sst sich die aktuelle Position ann he rungsweise bestimmen F r dieses Verfahren eignen sich alle Sensoren die Daten aufgrund einer Positions nde rung des Objekts liefern zum Beispiel Bewegung eines Antriebsrades oder die Drehung des Objekts Ein h ufig verwendeter Sensortyp sind sogenannte Encoder siehe Kapitel 3 7 2 die an R dern oder Motoren angebracht sind 3 3 3 Navigation mit Landmarken Bei dieser Art Navigation orientiert sich der Roboter mit Hilfe von Landmarken die er in sei ner Umgebung identifizieren kann Dabei besitzt er eine Karte seiner Umgebung mit allen notwendigen Landmarken Falls der Roboter zun chst keinerlei Wissen ber seine Umge bung hat und sich erst in ihr orientieren muss bedient sich der Roboter bestimmte Merkmale in seiner Umgebung und definiert sie als eine Landmarke um so nach und nach ein Modell seiner Welt zu erstellen F r dieses Verfahren eignen sich zur Erkennung von Landmarken ber hrungslose wie zum Beispiel Kameras Entfernungssen
46. den und Radbeschaffenheit wird die maximale Beschleunigung und der minimale Kurvenradius begrenzt Das Gewicht des Roboters hat einen gro en Einfluss auf die Haft reibung der R der denn bei steigendem Gewicht ergibt sich eine gr ere Haftreibung die gr ere Beschleunigungen ohne Haftungsverlust erm glicht Der Roboter darf aber auch nicht zu schwer werden da der Roboter dann einen gr eren Energiebedarf hat Drehung Der Roboter mu schnell in der Lage sein seine Fahrtrichtung zu ndern damit auf ver nderte Spielsituationen sofort reagiert werden kann Deshalb ist eine schnelle und genaue Lenkbarkeit eine essentielle Voraussetzung Roboter die bezogen auf ihre Lenkachse un symmetrisch aufgebaut sind und somit Vorw rtsfahrt und R ckw rtsfahrt unterscheiden m ssen Drehungen bis 180 bewerkstelligen Das sind Robotersysteme die meistens mit einer Differentialsteuerung ausgestattet sind Die jenigen Roboter die in dieser Hinsicht sym metrisch aufgebaut sind k nnen diese Drehungen auf maximal 90 beschr nken indem sie zus tzlich ihre Fahrtrichtung umkehren Ballf hrung Ein Roboter der fu ballspielen soll sollte in der Lage sein den Ball auf seinem Weg zu beeinflussen Es ist nicht ausreichend wenn der Roboter versucht aus einem bestimmten Winkel auf den Ball zu zu fahren und ihn durch die Ber hrung in die gew nschte Richtung zu lenken Einerseits ist es unter Umst nden nicht m glich aus allen Richtungen den
47. die einem mit Rat und Tat zur Seite standen im ein zelnen Bedanken muss Zuerst m chte ich mich bei meinem Betreuer Kai von Luck bedanken der mir die Gelegen heit gab mich mit diesem Thema in meiner Diplomarbeit zu besch ftigen Ein groBer Dank geht auch an meine Eltern die mich moralisch und auch finanziell unter st tzt haben Denn ohne euch h tte ich es nicht geschafft mein Studium zu Ende zu bringen und bei meinen GroBeltern die immer an mich geglaubt und mich bei jeder Entscheidung unterst tzt haben Ich m chte mich bei Mirco Gerling bedanken der mir die Anregung gegeben hat dieses Antriebssystem mit dem omnidirectional R dern zu konstruieren Ein sehr gro er Dank geht auch an die Firma Interroll die mir 3 komplette Allseitenr der f r diese Arbeit zur Verf gung stellten Auch ein sehr gro er Dank geht an die flei igen Helfer der Zentralen Werkstatt der HAW Hamburg Peter Svensson Bernd Bethke Hans Peter Bensemann Michael Gaedke und Berthold Witte Fachbereich Physik die mir beim Bau des Roboters trotz nicht immer exakter Darstellung meiner Konstruktionszeichnungen oder Ideen geholfen haben Bedanke muss ich mich auf jeden Fall auch bei Ilka Kahl Kai Steph Helge Lemcke und vor allem Clemens Kehren und Bj rn Jensen die mich bei dem Kampf gegen die vielen Fehlerteufels in dieser Diplomarbeit unterst tzt haben Ich hoffe ich habe hier keinen weiter namentlich vergessen und wenn doch dann tu es mir
48. diesem Modell der Welt und einem bestimmten Ziel einen Plan f r die weitere Vorgehensweise macht e Execution Action System dass aus diesem Plan die Befehle f r den Roboter gene riert Dieses System wird allgemein als SPA System Sense Plan Act siehe Abbildung 8 18 be zeichnet Dieses System des Planning und World Modelling ist sehr komplex zu rechenauf wendig und zu langsam angesichts einer sich dauernd ver ndernden Umwelt Abbildung 8 18 Sense Plan Act Architektur Bei der Programmierung des Roboters dieser Diplomarbeit wurde auf die Programmer Architektur von Rodney Brooks Brooks 85 Subsumption Architektur siehe Abbildung 8 19 zur ck gegriffen die er Mitte der achtziger Jahre am MIT Massachusetts Institute of Techno logy entwickelte Bei dieser Art Architektur ist es m glich verschiedene Verhaltensweisen zu kapseln Dabei arbeiten verschiedene Schichten konkurrierend und asynchron an unter schiedlichen Aufgaben wobei die Koordination ber Priorit ten erfolgt Das hei t dass der Roboter nur ein Verhalten einer bestimmten Schicht abarbeitet Dadurch ist es m glich z B der Kollisionserkennung die h chste Priorit t zu geben und anderen Aufgaben die in diesem Moment eine weniger gro e Rolle spielen eine niedrigere Priorit t zuzuweisen Theoretisch ist die Subsumption Architektur so aufgebaut dass die Schicht mit der h chsten Priorit t ganz oben befindet und somit in der Lage ist die anderen Schichten zu
49. e RK RR ed 3 6 4 Infrarot Sensor nn 3 6 5 Ultraschall Sensor 2 22 2 2 mm mm 3 6 6 Laser Sense 3 6 7 kamera Sensor 2 2 2 22mm nn 11 13 13 13 3 6 8 Kompass Sensor aoaaa AE ee a ae na 3 7 Echtzeitbedingungen 2 5 244 524 5 a ee Sod 3 8 Aspekte aus dem Software Engineering 381 Wasserfallmodell 2 3 24 32 248 SPR eee ee EEN 3 8 2 Extreme Programming 2 0 64406 e684 4462 eR ade ad Roboterfussball Ale Te 4 2 0 be ed oh OSE EEE Oe ee ERO A 4 1 1 Middle Size League 4 1 2 Small Size League lt lt lt 2 4 1 3 Sony Legged Robot League o o 4 1 4 Humanoid League nenn 4 15 Simulation League lt lt 02h 2 see sb see eee ee ad 4 1 6 RoboCup ELeague 2022 eee 4 1 7 RoboCup Junior League 4 1 7 1 RoboCup Junior Soccer o 4 1 7 3 RoboCup Junior Dance o 4 1 8 RoboCup Rescue League Die Retter AA ab a eee nee ee A ee AA ARE 4 2 1 MiroSot 0 2002 ee ee e PA r oe Se Beh Oe Bee Bee Lae Bada 4 23 RobOSot e d er ha eh Re Se RRR EES Cae SO 4 2 4 KheperaSot 2 24 as ee ES OE A WES TUS baaa der eg ae Soe ee Re e N 426 SINUNGSOL e 54428449 44H 449 RR A Heb Sede eS Existierende Robotersysteme 5 1 Roboterbauk sten von LEGO MINDSTORMS 5 2 Erweiterte Baute
50. eachten dass wei Ber Untergrund rotes und gr nes Licht gleich stark reflektiert Die ber dem Fotowiderstand abfallende Spannung ist also in beiden F llen gleich gro Roter Untergrund hingegen re flektiert kaum oder gar kein gr nes Licht aber sehr viel rotes Es sollte sich also ein gro er Spannungsunterschied am Output Pin messen lassen Auf die gleiche Weise lassen sich also auch gr ne Fl chen erkennen Die Schwarz Wei Erkennung funktioniert mit diesem Reflexkoppler ebenfalls ohne Probleme Wie alle optischen Sensoren sind auch Reflexkopp ler h chst empfindlich gegen direkte Sonneneinstrahlung oder sonstige starke Licht und IR Quellen Je nach Umgebungsbedingungen k nnen sich Messwerte auf der gleichen Fl che relativ stark ndern 7 5 3 Radencoder Im Kapitel 3 6 2 wurde erkl rt wie diese Wegmesssensoren funktionieren und dass man sie grob in zwei Arten unterteilen kann absolute und inkrementelle Messwertgeber Die ab soluten Messwertgeber sind f r Bewegungsanalysen wenig geeignet da sie nur die aktuelle Position der Welle als Signal zur ck liefern und berwiegend f r die Bestimmung der Position von Roboterarmen dienen F r den Einsatz im Robotfu ball sind inkrementelle Radencoder eher geeignet und lassen sich noch einmal in mechanische und optische Sensoren untertei len Die mechanischen Radencoder besitzen 2 Signalausg nge sind recht gro und teuer Daher sind sie f r Kleinstroboter ungeeignet Au erdem neigen
51. echnical Committee RoboCupJunior 2004 RESCUE Rules URL http satchmo cs columbia edu rcj rcj2004 rescue rules html RC JS 04 RoboCup Technical Committee RoboCupJunior 2004 SOCCER rules URL http satchmo cs columbia edu rcj rcj2004 soccer rules html RC MSL04 MSL Technical Committee 1997 2004 Middle Size Robot League Ru les and Regulations for 2004 URL www tcsi de ROBOCUP _DOCUMENTS MSL msl rules 2004 pdf RC R 04 RoboCup Technical Committee Adam Jacoff Brian Weiss RoboCu pRescue Robot League Rules URL www isd mel nist gov RoboCup2003 RoboCupRescue2003Rules pdf RC RSim 04 RoboCup Technical Committee RoboCup 2004 Rescue Simulation League Rules V1 01 URL http robot cmpe boun edu tr rescue2004 rules2004 pdf RC S4L04 RoboCup Technical Committee Sony Four Legged Robot Football League Rule Book URL www tzi de roefer Rules2004 Rules2004 pdf RC SSL04 Gordon Wyeth Laws of the F180 League 2004 Release 3 00a URL www itee ug edu au wyeth F180 20Rules f180rules300a pdf RC SSLField 04 Gordon Wyeth Drawing of the Field for the F180 League 2004 URL www itee ug edu au wyeth F180320Rules f180_2004_field pdf Alle in diesem Literaturverzeichnis angegebenen Links auf Webseiten sind am 08 05 2004 auf ihre Funktionf higkeit berpr ft worden Versicherung Uber Selbststandigkeit Hiermit versichere ich dass ich die vorliegende Arbeit im Sinne der Pr fungsordnung nach 824 5 ohne fremde Hilfe
52. egration aufgrund seiner St ranf lligkeit als aufwendig angesehen werden muss St rungen k nnen sowohl von der Digital oder Leistungselektro nik des Roboters sowie von den schnell wechselnden magnetischen Feldern der Motoren ausgehen Die Entwicklung und Einbindung dieses Sensors ist aus zeitlichen finanziellen Gr nden nicht im Rahmen dieser Arbeit m glich 7 5 5 Kamera Sensoren Die Integration von Kamera Sensoren und die damit verbundene M glichkeit einer lokalen Bildverarbeitung kann den Roboter zu einem vollautonomen System erweitern Miniaturka meras die sich f r die Integration in einen Fu ballroboter eignen setzen Eigenschaften voraus welche die Auswahl an geeigneten Sensoren stark einschr nken Dabei ben tigt die Kamera einen Ausgang den man an ein Controllerboard anschlie en kann und somit den direken Zugriff auf die Bilddaten erlaubt Weiterhin muss darauf geachtet werden dass die Kamera eine gewisse Gr e nicht berschreitet damit eine Integrierung in das Geh use des Roboters m glich ist Wichtig ist auch dass die Versorgungsspannung der Kamera dem der Betriebsspannung der Roboterelektronik entspricht Kameras mit CMOS Technologie die auch in Webcams Verwendung finden sind durch ihre geringe gr e und Versorgungs spannung geeignet 7 6 Controllerboard Das Controllerboard des Roboters stellt sicherlich die schwierigste Designentscheidung dar Die Recheneinheit muss in der Lage sein mit allen ausgewahlten
53. eht auch ein gro er Nachteil da der Roboter l ngere Wege zur ck legen muss um gezielt den Ball oder die gew nschte Position anzusteuern Dabei tritt es h u fig auf dass der Roboter den Ball nicht mehr an der gew nschten Position vorfindet weil er durch eine ungenaue Drehung des Roboters die Kontrolle ber den Ball verliert Diese ungenauen Drehungen treten vermehrt auf wenn die LEGO MINDSTORMS Motoren l n ger im Betrieb waren denn sie neigen dazu durch Verschlei ungenauer zu werden so dass der Roboter bei einer geraden Fahrt eher zu einer Bogenfahrt neigt Roboter nur mit dem Bodensensoren ausgestattet sind oftmals nicht in der Lage zu entscheiden in wel cher Richtung sich das gegnerische Tor befindet und schie en verst rkt auch Eigentore Einige Probleme konnten durch die Erweitung mit dem Lepomux f r den RCX oder die Kom bination zwischen MIT Board 6 270 und LEGO Technik von vorne rein vermieden werden dennoch treten auch hier Probleme auf Die mangelnde Verf gbarkeit von Umgebungssen soren kann man mit diesen Erweiterungen zwar beheben jedoch sind die Sensoren in den meisten F llen starr vorne am Roboter angebracht und k nnen nur ein Teil ihrer n heren Umgebung kontrollieren Viele der Roboter die mit den Erweiterungen ausgestattet sind haben ein recht durftiges Bumper System welches dem Roboter bei Kollisionen mit der Wand oder Hindernisse vor weiteren Sch den warnen kann Es ist ein Vorteil dass die Ro boterty
54. eine geneigte Ebene herauf bzw herunter fahren muss sondern stets in der Waagerechten bewegt Damit gilt also Fr p Fe cosd p m J 3 2 Da sich der Roboter mit gleichbleibender Geschwindigkeit bewegt heben sich Fy und Fr gerade gegenseitig auf Fy Fo p mg 3 3 Um nun die Leistung des Motors zu berechnen gilt P fFy v 3 4 v steht f r die zu erreichende H chstgeschwindigkeit Daraus resultiert P u m g v 3 5 Die Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde die die Antriebswelle machen muss damit man mit dem vorhandenen Raddurchmesser auf die gew nschte Geschwindigkeit kommt ergibt sich aus o y ad n gibt die erforderliche Drehzahl in Umdrehungen pro Sekunde an Um mit diesen Angaben die Leistung berechnen zu k nnen gilt diese Formel 3 6 P M w 3 7 M ist dabei das Drehmoment bei der Winkelgeschwindigkeit w Die Winkelgeschwindigkeit ist eine andere Darstellungsform f r die Drehzahl und berechnet sich aus w 2 T N 3 8 Daraus resultiert P M 2 71 2 3 9 3 4 3 Servomotoren F r viele Anwendungen im Bereich mobile Roboter sind Servomotoren durch ihre Fahig keit eine vorgegebene Position sehr schnell mit hoher Genauigkeit anzufahren und auch gegen Belastung zu halten sehr interessant Servomotoren bestehen aus einem kleinem Gleichstrommotor einem Getriebe Endanschl gen ber die die Welle nicht hinweg drehen kann einem Potentiometer um die aktuelle Position festzustelle
55. einen Platzbedarf haben Diese Boards sind blichweise 17 cm x 17 cm gro und mit unterschiedlichen Prozessor typen sowie zus tzlicher Hardware zu bekommen Diese Boards sind auf jeden Fall leis tungsst rker als die oben angesprochenen Controllerboards ber die parallele Schnittstelle stehen viele digitale Ein und Ausg nge zu Verf gung Weiterhin kann das Board mit spe zielle Zusatzhardware f r Robotik ihre Anzahl an Anschlussm glichkeiten stark erh hen In der Entwicklung und vereinzelt verf gbar sind die noch kleineren Varianten von 7 cm x 7 cm die sogenannten Micro ITX Boards zu erw hnen Diese Boards werden mit einer Versor gungsspannung von 12 V betrieben und ben tigen daher einen gr eren Energiebedarf als die schon vorgestellten Boards Abbildung 7 16 Typisches Mini ITX Board Mini ITX Aus finanziellen Gr nden wurde auf die Neuanschaffung einer geeigneten Prozessoreinheit verzichtet und man konzentrierte sich auf das vorhandene und schon lang erprobte System Dieses System beinhaltet das MIT Board 6 270 welches nahezu gen gend Anschlussm g lichkeiten aufweist Daher muss bei diesem Board auf einige Hardwarekomponenten verzich ten und die erstellte Liste der gew nschten Komponenten reduzieren Die nun verwendeten Hardwarekomponenten werden im n chsten Kapitel genauer vorgestellt 7 7 Energieversorgung Nahezu alle auf dem Markt verf gbaren Sensoren und integrierten Halbleiterschaltungen ICs f r den Be
56. en Die Beacon Sensoren wur den zwischen zwei Antriebsachsen fest nach vorne hin ausgerichtet angebracht Auf der H he der zweiten Ebene wurden die Mikroschalter f r die Kollisionserkennung in der Mitte der wichtigsten Himmelsrichtungen angebracht D nne Metallst cke die auf Federn gelagert sind dienen dem Mikroschalter als gr ere Ber hrungsfl che Abbildung 8 7 Alle Ebenen des Roboters Abbildung 8 8 Einzelteile der Roboterplattform 8 2 Software 8 2 1 Entwicklungsumgebung 8 2 1 1 Die Programmiersprache Interactive C Zum Programmieren des Controllerboards MIT Board 6 270 wird das Programm Interactive C Version 3 2 von Newton Research Labs Newton verwendet welches eine abgespeck te Version der Programmiersprache C ist Interactive C bietet eine Bibliothek mit diversen Funktionen die speziell fur das MIT Board 6 270 entwickelt wurde Jedoch bietet sie leider nur einfache Kontrollstrukturen wie for while if else und break sowie ein einfaches Multitas king File Edit Load Board View Window Help Del ciel ol el Je 3 Interaction Window Welcome to Interactive C v3 2 Copyright C 1997 Newton Research Labs All Rights Reserved http www0 newtonlabs com ic Bugs to icfnevtonlabs cor This IC license is for Windows Educational personal license Single user license for Klemke Gunter Dr License key 28802 6504 50016 18 3 Ignoring board Please find the definition file that matches your board type
57. en und bei irgendwelchen Sch den schnell auszutauschen ist Eine Ballf hrung und eine Schussvorrichtung sollte in den Roboter mit integriert sein Da der Roboter laut den Regeln der RoboCup Junior Soccer League nicht gr er als 22 cm im Durchmesser und eine H he von 22 cm nicht berschreiten darf muss der Roboter sehr kompakt konstruiert werden Mit den vielen Sensoren und Aktoren ben tigt der Roboter deutlich mehr Energie als die Roboter die nur mit dem Roboterbaukasten von LEGO MINDSTORMS konstruiert wurden Deshalb sollte darauf geachtet werden dass die Plattform des Roboters so leicht wie m glich ausf llt und die eine energiefreundliche Programmierung beinhaltet 6 2 Kommunikation In diesem Abschnitt soll untersucht werden welche Kommunikationsanforderungen sich bei der Arbeit mit autonomen Multiagentensystemen und im speziellen bei Fu ballrobotern der RoboCup Junior Soccer League ergeben In einem ersten Schritt werden allgemeine Anfor derungen an die Kommunikation zwischen autonomen Multiagentensystemen gesammelt F r eine kooperative Arbeit ist ein Kommunikation notwendig um Absichten mitzuteilen und zu koordinieren Hier spricht man auch von einer Synchronisation der Mutiagentensysteme Eine weitere Anforderung besteht darin dass die Roboter die Rollen und Aufgabenvertei lung absprechen und Handlungsergebnisse oder sonstige Erkenntnisse dem Partner mit teilen Hierbei kann die Kommunikation im Roboterfu ball zum Beisp
58. en von Material Werkst cken Werkzeugen oder Spezialger ten Der frei program mierbare Bewegungsablauf macht ihn f r verschiedenste Aufgaben einsetzbar In der heutigen Zeit gibt es unterschiedliche Arten von Robotern die z B in der Industrie eingesetzt werden wo unzumutbare Arbeitsbedingungen herrschen oder dort wo es f r den Menschen gef hrlich ist Moderne Industrieroboter wie sie zum Beispiel beim Bau von Au tos eingesetzt werden erledigen stupide Flie bandarbeit wesentlich genauer als ein Mensch und vor allem schneller Selbst ein moderner Mikroprozessor w re ohne einen Roboter nicht mehr herstellbar In anderen Bereichen des Lebens sind Roboter nun mehr standige Beglei ter der Menschen geworden denn Forschungsroboter erkunden ferne Planeten oder Kata strophengebiete dringen in Vulkane ein oder Abwasserrohren vor erleichtern den Alltag in dem sie staubsaugen den Boden wischen oder Rasen mahen Der Trend geht sogar dahin dass im Kinderzimmer auch elektronische Haustiere wie der Roboter Hund Aibo von Sony AIBO zu finden sind Viele angesehene Forscher sehen im Bereich der Unterhaltungselektronik ein groBes Poten tial um neuartige Roboter zu konstruieren und zu verbessern Deshalb sind einige Forscher an Projekten wie z B das Roboterfu ballspiel beteilig Nach der Definition des Begriffes ko operative autonomen Multiagentensysteme handelt es sich deshalb nicht ausschlie lich um Roboter jedoch ist in der Welt des R
59. er 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Surface illuminance of reflective object Ix Fig 7 Analog Output Voltage vs Ambient Temperature Analog output voltage Vo V 3 0 2 8 2 4 GP2D12 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ambient temperature Ta C Fig 6 Analog Output Voltage vs Distance to Reflective Object Analog output voltage Vo V GP2D12 Draft Reftectviy In 4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Distance to reflective object L cm Fig 8 Analog Output Voltage vs Detection Distance Analog output voltage Vo V GP2D12 3 0 L 40cm L 80cm 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Detection distance X cm Application Circuits NOTICE OThe circuit application examples in this publication are provided to explain representative applications of SHARP devices and are not intended to guarantee any circuit design or license any intellectual property rights SHARP takes no responsibility for any problems related to any intellectual property right of a third party resulting from the use of SHARP s devices Contact SHARP in order to obtain the latest device specification sheets before using any SHARP device SHARP reserves the right to make changes in the specifications characteristics data materials structure and other contents described herein at any time without notice in order to improve design or reliability Manufacturin
60. er Middle Size Rescue RoboCup Junior Small Size und Sony Leeged Robot League Tools InteractiveC Hier ist das Interactive C Programm f r das Programmieren des Roboters mit dem MIT Board 6 270 zu finden Achtung Dieses Programm beinhaltet nicht die ben tigte Key Datei Literaturverzeichnis AIBO Sony Entertainment Rot Europe AIBO Europa Offiziele Webseite URL www aibo europe com index asp language de Aksen Boersch Kl Labor der FH Brandenburg URL http ots fh brandenburg de aksen AM 04 Official Homepage of Alan Mackworth University of British Columbia 2004 URL www cs ubc ca spider mack ASI 04 Frauenhofer Institut Autonome Intelligente Systeme 2004 URL www ais fraunhofer def Brooks 85 Rodney A Brooks A Robust Layered Control System for a Mobile Robot 1985 URL www ai mit edu people brooks publications shtml Cherry Cherry Corporation Cherry DB Series Sub Miniature Snape Action Switch 2001 URL www cherrycorp com english switches submini db htm CNY70 Vishay Reflective Optical Sensor with Transistor Output URL www vishay com docs 83751 83751 pdf CS F 04 Institut f r Informatik CS Freiburg Albert Ludwigs Universit t Freiburg URL www cs freiburg de DB 97 IBM Kasparov vs Deep Blue 1997 URL www research ibm com deepblue DCGL03 D Cordes G Lemm Entwicklung einer mikroprozessorbasierten Sensor Aktorerweiterung f r das LEGO Mindstorm S
61. ert werden dass er die Regeln der RoboCup Junior Soccer League RCJ 04 einh lt und die bestehenden Roboter f r diese League mit neuartigen Entwick lungsvorschlagen Ubertrift Weiterhin wird versucht eine Kommunikationsm glichkeit zwi schen Robotern zu implementieren Die Kommunikation der Roboter wird mit Hilfe von PDA s verwirklicht werden Dabei wird der PDA mit einem seriellen Anschluss an dem Controller Board angeschlossen Des Weiteren soll der PDA die kognitiven Fertigkeiten des Roboters bernehmen und das Controller Board nur die motorischen Fertigkeiten ausf hrt Jedoch soll in Betracht gezogen werden dass die Roboter sich auch mit Hilfe einer externen Quelle Kamera orientieren k nnen 2 2 Motivation In meiner Studienarbeit MM 03 sowie im Rahmen von Projekten der Hochschule f r An gewandte Wissenschaften Hamburg HAW Hamburg Luck 04 habe ich versucht mit dem Motorola Board MIT Board 6 270 MIT 04 einen fu ballspielenden Roboter zu verwirkli chen Bei der Studienarbeit habe ich durch unterschiedliche Design und Programmieran setze versucht die Ballerkennungsroutine zu perfektionieren In dieser Diplomarbeit m chte ich mein erlerntes Wissen erg nzen und einen Roboter aufbauen der sich an den Richtlini en der RobCup Junior Soccer League RCJ 04 orientiert und die bisherigen Probleme der verf gbaren Roboter in dieser League verbessert 3 Grundlagen In diesem Kapitel bekommt der Leser nach einer
62. es Roboters bermitteln kann Somit k nnte man die bestehenden Sensoren f r die Kontrol le der ermittelten Position einsetzten Dieses Verfahren der exakten Positionsbestimmung ber eine globale Kamera kann auch mit einem RCX ausgewertet werden welches in fr he ren Projekten der HAW Hamburg Luck 04 zum Einsatz kam Wenn man nun die Bewegungen der Roboter betrachtet f llt auch hier auf dass es zwischen den einfachen Roboterbauk sten der LEGO MINDSTORMS Familie und den Erweiterungen gro e Unterschiede gibt Der einfache RCX besitzt nur zwei Anschlussm glichkeiten f r die Antriebsmotoren wobei die von LEGO MINDSTORMS mitgelieferten Motoren sich bei n he re Betrachtung nicht all zu leistungsf hig erweisen Bei l ngerer Benutzung verschlei en die Motoren unterschiedlich stark Problem Kurvenfahrt Viele Robotertypen werden mit einer Untersetzung ausgestattet um die Geschwindigkeit zu erh hen Jedoch sollte die Unter setzung nicht zu klein gew hlt werden da der Roboter bei einer zu hohen Geschwindigkeit nicht mehr kontrollierbar ist Viele Roboter werden bei der Verwendung von nur zwei Mo toren auch recht klein gehalten damit die Motoren es schaffen das Gewicht des Roboters zu tragen ohne ein Durchdrehen der R der zu verursachen Bei dem Einsatz des Lepomux kann man Konstruktionen beobachten wo f r jede Antriebsseite zwei Motoren zur Verf gung stehen um mehr Leistung auf die R der zu bertragen Diese Konstruktione
63. es weiteren ist eine Spielfl che zu finden welche mit den Ma en f r eine Spiel fl che der RoboCup Junior Soccer League RCJ 04 f r Matches 2 gegen 2 Roboter von der Zentralen Werkstatt der HAW Hamburg Werkstatt konstruiert wurde Jedoch wurden die Re geln der RoboCup Junior Soccer League RC JS 04 etwas erweitert und ver ndert indem die Tore mit je einem IR Beacon ausgestattet sind IR Beacons sind Infrarot Leuchtfeuer die urspr nglich zur Orientierung bzw Markierung von Punkten innerhalb eines Parcours ver wendet wurden Anhand dieser Markierungen k nnen die Roboter ein Ziel leicht auffinden und ansteuern Die hier verwendeten IR Beacons siehe Abbildung 7 1 wurden von Prof Dr Klemke Klemke 04 entwickelt und sind bereits seit geraumer Zeit in Projekten der HAW Edsger Wybe Dijkstra niederl ndischer Informatiker geboren 11 Mai 1930 in Rotterdam gestorben am 6 August 2002 in Neunen Niederlande Hamburg Luck 04 zum Einsatz gekommen Sie wurden speziell f r die Verwendung mit Robotern konzipiert die auf dem MIT Board 6 270 MIT 04 basieren Um die Tore zu un terscheiden senden diese IR Beacon Pulse mit Frequenzen von 100Hz bzw 125Hz aus Um das Signal unempfindlich gegen ber Umgebungslicht zu machen wird eine Tr gerfrequenz von 40 kHz moduliert Abbildung 7 1 IR Beacon f r die Tor Erkennung Eine weitere nderung wurde im Bereich des Spielfl chenbelags vorgenommen Der Boden des Spielfelds ist
64. esign using KMZ51 and KMZ52 2004 URL www semiconductors philips com LEGO LEGO MINDSTORMS URL http mindstorms lego com eng default asp Lepomux Homepage Dietmar Cordes Gunther Lemm Official Homepage of Lepomux URL www lepomux com Luck 04 Kai von Luck IKS project Integration Kognitiver Systeme URL http users informatik haw hamburg de kvl MG 02 Mirco Gerlin Agentenarchitekturen Studienarbeit 2002 URL http users informatik haw hamburg de kvl gerling studien pdf MG 03 Mirco Gerling PDA gest tzte Robotersteuerung mit funkbasierter Serveran bindung Diplomarbeit 2003 URL http users informatik haw hamburg de kvl gerling diplom pdf Mini ITX Mini ITX com and respective owners mini itx com The Next Small Thing URL www mini itx com MIT 04 Massachusetts Institute of Technology 6 270 MIT s Autonomous Robot Design Competition 2004 URL www mit edu 8001 courses 6 270 home html MM 03 Michael Manger Design und Realisierung von kosteng nstigen fuss ballspielenden Robotern Studienarbeit 2003 URL http users informatik haw hamburg de kvl manger studienarbeit pdf MpocketPC Microsoft Corporation 2004 URL www microsoft com MrR Mr Robot Robots amp Microcontrollers for the Future URL www mrrobot com MS 04 Michael Schr er Physik Lexikon 2004 URL www physik lexikon de index php NASA 04 Jim Wilson National Aeronautics And Space Administ
65. etzen zu verbinden Als Betriebssystem kommt Mi crosoft Windows Mobile 2003 Premium Software for Pocket PC MpocketPC zum Einsatz Es handelt sich um ein Betriebssystem was multitaskfahig ist Abbildung 7 17 Hewlett Packard iPAQ Pocket PC H5550 8 Konstruktion und Realisierung In diesem Kapitel geht es um die Konstruktion und Realisierung des prototypischen Robo ters wobei genau auf die einzelnen Konstruktionsteile des Roboters unter Ber cksichtigung der beschriebenen Zielsetzungen und getroffener Hardwareauswahl eingegangen wird Im Weiteren wird auf den Bereich Software eingegangen deren Entwicklungsumgebungen die Programmarchitektur Bibliothek des Antriebssystems und Spielstrategien Zum Schluss wird das Ergebnis dieser Realisierung diskutiert und ein Ausblick auf zuk nftige Arbeiten gege ben 8 1 Konstruktion und Auswahl der Hardware 8 1 1 Plattform des Roboters Vor Beginn des Entwurfs des Roboters wird noch mal eine Liste der Punkte zusammen getragen die der Roboter erf llen soll Der wichtigste Punkt ist dass der Roboter die kon struktionsspezifischen Ma e der RoboCup Junior Soccer League einhalten soll Das hei t dass der Roboter nicht die 22 cm Durchmesser berschreiten darf und eine H he von 22 cm einh lt Diese Angaben zwingen dem Konstrukteur den Roboter so klein wie m glich zu gestalten und jeden Zentimeter des zur Verf gung stehenden Platzes optimal auszunut zen Deshalb war in der Anfangsphase der
66. farbigen Ball gespielt Regeln 2004 RC S4L04 Abbildung 4 3 Roboter der Sony Legged Robot League RC 04 4 1 4 Humanoid League In dieser recht neuen Liga sollen humanoide Roboter auf zwei Beinen gegeneinander spie len zuerst in Mannschaften zu je drei Spielern spater aber in Mannschaften mit elf Spielern Die League wird unterteilt in die Kategorien bis 60 cm 120 cm und 180 cm Gr e Jedoch mussten bei der RoboCup Weltmeisterschaft in Padua 2003 diese Art Roboter zuerst nur ein fachere Aufgaben bew ltigen z B auf einem Bein stehen oder den Ball erkennen Neuere Regeln sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht zu finden RC HL04 Abbildung 4 4 Roboter der Humanoid League RC 04 4 1 5 Simulation League In der Simulation League treten elf so genannte Agentenprogramme pro Mannschaft auf dem von einem Soccer Server simulierten Spielfeld 105 x 69 m an Dabei k nnen sich die virtuellen Spieler ganz auf Strategie und Kooperation konzentrieren Der virtuelle Schieds richter pfeift auch Abseits was heute noch eine Besonderheit der Simulationsliga ist 4 1 6 RoboCup ELeague 2003 wurde bei der RoboCup Weltmeisterschaft in Padova diese neue Soccer League ge gr ndet Diese hat das Ziel auch kleinere Teams die nicht die Ressourcen der gro en Teams der Middle Size League oder der Small Size League besitzen eine Chance zu geben bei sol chen Weltmeisterschaften mit zu spielen Die neuen Regeln beruhen zum gr ten
67. g locations are also subject to change without notice Observe the following points when using any devices in this publication SHARP takes no responsibility for damage caused by improper use of the devices which does not meet the conditions and absolute maximum ratings to be used specified in the relevant specification sheet nor meet the following conditions i The devices in this publication are designed for use in general electronic equipment designs such as Personal computers Office automation equipment Telecommunication equipment terminal Test and measurement equipment Industrial control Audio visual equipment Consumer electronics ii Measures such as fail safe function and redundant design should be taken to ensure reliability and safety when SHARP devices are used for or in connection with equipment that requires higher reliability such as Transportation control and safety equipment Oe aircraft trains automobiles etc Traffic signals Gas leakage sensor breakers Alarm equipment Various safety devices etc iii SHARP devices shall not be used for or in connection with equipment that requires an extremely high level of reliability and safety such as Space applications Telecommunication equipment trunk lines Nuclear power control equipment Medical and other life support equipment e g scuba Contact a SHARP representative in advance when inte
68. gehalten werden Da das MIT Board 6 270 jedoch nur einen Anschluss f r Servomotoren zur Verf gung stellt muss diese Plattformdrehung mit einem normalen Motor realisiert werden Es muss auf der Ebene der Umgebungssensoren eine Art Kontaktsystem installiert werden so dass das Control lerboard die momentane Position der Umgebungssensoren ermitteln kann Um den Robo ter mit dem angesprochenen Bumper System auszustatten ben tigt der Roboter 6 Mikro schalter die an jeder Seite des Roboter befestigt werden Weiterhin braucht der Roboter 3 Beacon Empf nger um das Tor zu erkennen Ein Reset Schalter bestehend aus einem Mikroschalter soll f r den Notfall oder das Beenden des Programms f r den Benutzer gut zug nglich sein Da die Spielfl che keine Grauabstufung mehr besitzt kann man auf die Bodensensoren Reflexkoppler verzichten Auch auf Radencoder muss man verzichten da die omnidirectional wheels und die zur Verf gung stehenden Motoren viel Platz auf der An triebsebene ben tigen vor allem da die Motoren noch eine Untersetzung ben tigen um ein ausreichend hohes Drehmoment der R der zu gew hrleisten Auf einen Kompass und Kamera Sensor wurde aus Kostengr nden verzichtet Durch diese Angaben ist die folgende Liste entstanden e 3 omnidirektional wheels 3 Motoren f r das Antriebsystem 1 Motor f r die Umgebungssensoren 1 Servo f r die Ballsensoren 2 Ballsensoren e 6 Mikroschalter f r das Bumpersystem
69. glich Der Frauenhofer Roboter und der Roboter von der CS Freiburg stellen ein gelungenes Beispiel f r vollautonome Fu ballroboter dar Hierbei handelt es sich um eine kleine nach oben gerichtete Kamera welche ber einen Spiegel eine kom plette Rundumsicht des Spielfeldes einf ngt 6 Ziel der Neuentwicklung Um einen Roboter f r ein Roboterfu ballspiel tauglich zu machen stehen spezielle Ziele bei der Neuentwicklung f r die Konstruktion kooperativer autonomer mobiler Roboter im Vorder grund Da Untersuchungen im Roboterfu ball generalisierbar sein sollten und dadurch auch in anderen Anwendungsgebieten verwendbar sind sollten die Ziele in einzelne Bereiche unterteilt werden Die Entwicklung zielt grunds tzlich auf den Entwurf einer Forschungsplatt form f r autonome mobile Roboter und kooperative Multiagentensysteme am Beispiel des Roboterfu balls ab und nicht prim r auf die Erstellung eines m glichst guten Fu ballrobo ters In diesem Kapitel werden Ziele f r die einzelnen Bereiche Navigation Kommunikation etc vorgestellt in dem F higkeiten der bestehenden Robotersysteme der RoboCup Junior Soccer League RCJ 04 gesammelt und diskutiert werden Da die Realisierung eines kom pletten Roboterfu ballsystems aus zeitlichen Gr nden weit ber die Aufgabenstellung dieser Arbeit hinausgeht k nnen und sollen diese Anforderungen nur teilweise als Ziele dieser Ar beit gelten Daher werden nur ausgew hlte F higkeiten der be
70. h eine Kontaktstelle ange bracht ist und bei Drehung dieser Plattform die Kontaktstellen beider Ebenen einen Kurz schluss verursachen kann das System erkennen dass sie in der korrekten Position sind Die sechs Kontaktstellen sind unterteilt in Norden gerade und ungerade Kontaktstellen sie he Skizze 8 6 Norden Kontakt Kontaktstellen Abbildung 8 6 Kontaktstellen f r die Kontrolle bei der Drehen der Umgebungssensoren Dadurch kann das System auch genau identifizieren in welche Richtung die Sharp Sensoren gerade schauen Nach einigen Testl ufen dieser Sensorplattform stellte man fest dass die Kontaktstellen nicht richtig identifiziert werden und es zu berdrehungen der Kabel der Sharp Sensoren kam Dies f hrte wiederum zu einem Bruch der Kabel Deshalb wurden Stopper installiert die ein berdrehen der Plattform verhindern sollen Der Motor der die Umgebungssensoren ber Winkelzahnr der antreibt ist aus Platzgr nden auf der n chsten Ebene integriert Auf dieser Ebene sind auch die Akkus f r das Controllerboard die Akkus f r Sharp Sensoren und den ben tigten Verst rker f r die Sharp Sensoren zu finden Die letzte Ebene umfasst das Controllerboard gegebenenfalls einen PDA und Beacon Empf nger f r die Torkennung Die Beacon Sensoren sollten nach den ersten berlegungen wie die Ball und Umgebungssensoren auch drehbar gehalten werden jedoch wurde dieses Konzept aus Mangel an Platz und Servo Anschlussm glichkeiten verworf
71. halt de robocup ligen html AZ 04 Andreas Zell Gl Gesellschaft fur Informatik Lexikon Roboter FuBball 2004 URL www gi ev de informatik lexikon inf lex roboter fussball shtml Droids Universitat Dortmund Dortmund Droids URL www robosoccer de DS 99 Dirk St ker Projektstudie zum Aufbau autonomer Roboter Studienarbeit 1999 URL www informatik uni oldenburg de trebla Harold StA_html StA html Fulda Fachbereich Angewandte Informatik Fulda Leagues URL www informatik fh fulda de unimatrix league html GRCR 01 Gerhard R thlin Christoph R egg Der Bau und die Programmierung ei nes omnidirektionalen Roboters Maturaarbeit 2001 URL http cdrnet ch projects xbot doc pdf IRSI International Rescue System Institute RoboCup Rescue Official Web Page URL www rescuesystem org robocuprescue ISD Asada Laboratory Intelligent Systems Division Performance Metrics and Test Arenas for Autonomous Mobile Robots URL www isd mel nist gov projects USAR competitions htm Koch 03 Birgit Koch Einsatz von Robotikbauk sten in der universit ren Informati kausbildung am Fallbeispiel Hamburger Robocup Mobile autonome Roboter spielen Fu ball Diplomarbeit 2003 URL ftp ftp informatik uni hamburg de pub unihh informatik TIS koch da zip OD 03 Oliver Dahlmann Entwicklung eines kosteng nstigen Distanzmesssys tems Diplomarbeit 2003 URL http users informatik haw hamburg de kvl dahlmann di
72. hieht indem die Funktion f r die Ballsensoren die Plattform zwischen 0 und 180 hin und her drehen l sst Bei Erken nung des Balles korrigiert die Funktion die Stellung des Servo so weit bis der Ball wieder aus dem Sensorenbereich austritt und der Scanner sofort wieder an die letzte gesehene Position des Balles zur ckkehrt Der Scanner scheint durch die Wackelbewegung den Ball unter Kontrolle zu halten auch wenn sich der Ball von der urspr nglichen Position fortbe wegt Da der Beacon Empf nger f r die Torerkennung starr am Roboter installiert wurde ist es f r die Strategie auch wichtig die Kontrolle zum Tor aufrecht zu halten Falls der Roboter den Ball verliert sollte er sich zum eigenen Tor zur ck orientieren und dann einen erneu ten Angriff starten Die Umgebungssensoren geben die Information ob in der Richtung in die der Roboter fahren m chte W nde oder Gegner zu finden sind Falls also der Robo ter nach S dwesten fahren m chte drehen sich die Umgebungssensoren nach S dwesten und kontrollieren die Umgebung Dabei versucht der Roboter gegebenenfalls Hindernissen auszuweichen 8 2 5 Architektur des Programms In den Anfangzeit der Roboterprogrammierung herrschte allgemein die Ansicht dass ein Kontroll System f r autonome mobile Roboter im Wesentlichen aus 3 funktionellen Elemen ten bestehen sollte e Sensing System welches Sensordaten verarbeitet und ein Modell der Welt erzeugt e Planning System dass aus
73. hlie lich NiM HAkkus mit einer Spannung von 1 2 V Blei bzw Bleigel Akkus sind nur f r Spannungen von 6 V bzw 12 V erh ltlich sind recht schwer und f r einige Boards auch nicht geeignet NiCd Akkus haben einen ausgepr gten Memory Effekt d h sie m ssen immer vollst ndig ent laden werden bevor man sie ohne die Lebensdauer zu reduzieren wieder aufladen kann NiMH Akkus haben nahezu keinen Memory Effekt und zus tzlich eine h here Energiedichte Die teuere Alternative sind die Lithium lonen Akkus die wesentlich empfindlicher auf falsche Behandlung als andere Akkus reagieren Entscheidend f r die Laufzeit des Roboters ist die Kapazit t der Akkus 1600 mAh stellen hier das Minimum dar 7 8 Zus tzliche Hardware F r die Interaktion eines PDA s mit dem Controllerboard steht diesem Projekt ein HP zur Verf gung Durch seine Abmessung von 8 4 cm x 1 6 cm x 13 8 cm und einem Gewicht von nur 207 g ist dieser Pocket PC f r die integration in das Robotersystem geeignet Er verf gt ber einen Prozessor von Intel PXA250 mit 400 MHz Taktfrequenz sein ROM ist mit 48 MB gro und der RAM liegt bei 128 MB Weiterhin ist ein 3 8 TFT Aktivmatrix 16 Bit 64k Farben Dis play integriert sowie diverse Extras wie z B Lautsprecher Audioein und ausgang Hewlett Packard HP 04 iPAQ Pocket PC H5550 Dieser Pocket PC unterst tzt sowohl Bluetooth als auch WLAN Wireless Local Area Net work nach 802 11b um sich mit Funkn
74. htungen die der Roboter einschlagen kann geringer als die genannten M glichkeiten Bei der Erstellung der Bibliothek f r die eigentliche Aufgabe des Fu ballspielens wurden nur 27 m gliche Be wegungsabl ufe deklariert siehe Abbildung 8 10 da man davon ausgeht dass der Motor entweder mit voller Leistung angesprochen wird oder still steht 3In der Interactive C Bibliothek sind f r die Motoreinstellung 8 Geschwindigkeitsstufen vorgesehen von 0 100 Leistung Das entspricht f r jeden Motor 15 Geschwindigkeitseinstellung da der Motor rechtsrum sowie linksrum laufen kann 7 rechtsrum 7 linksrum und Stopp Wenn man nun die 3 Motoren mit je 15 M glichkeiten mit einander multipliziert 15 x 15 x 15 erh lt man die m glichen Kombinationen von 3375 _ Motor 1 Motor 2 Motor 3 Bewegungsabl ufe 1 100 100 im Stand linksrum drehen Radius um Rad 3 linksrum Radius ca 48 cm um Rad 3 linksrum Radius um Rad 2 linksrum Radius ca 7 5 cm ber Rad 2 und 3 linksrum gerade aus Richtung SW S dwest Radius ca 48 cm um Rad 2 linksrum gerade aus Richtung S S den Radius ca 48 cm um Rad 1 rechtsrum Radius um Rad 1 linksrum Radius ca 7 5 cm ber Rad 1 und 3 linksrum Radius ca 7 5 cm ber Rad 1 und 2 rechtsrum gerade aus Richtung SO S dost Radius ca 7 5 cm ber Rad 1 und 3 rechtsrum Radius um Rad 1 rechtsrum Radius ca 48 cm um Rad 1 linksrum gerade aus Richtung N Norde
75. iel den Austausch der Ball und Roboterpositionen oder die Abstimmung der Rollenverteilung auf einzelne Roboter Torwart St rmer bedeuten Es muss darauf geachtet werden dass jedes Agentensystem seine zugeteilten Aufgaben abarbeiten und im Fehlerfall durch jedes der anderen gleich artigen Systeme ersetzt werden kann Deshalb muss jedes System in der Lage sein eine bidirektionale Kommunikation mit den anderen System zu gew hrleisten Ansonsten w re eine Neuverteilung der Aufgaben unm glich 6 2 1 Diskussion der bisherigen Umsetzung Bisher gibt es in der RoboCup Junior Soccer League noch keinerlei Umsetzung einer Kom munikation zweier Roboter im Team Es wurde in einem Semesterprojekt mal versucht die Roboter der LEGO MINDSTORMS Familie mit einer Kamera zu steuern jedoch beschr nk te sich die Kommunikation nur zwischen der Kamerasoftware und dem RCX Eine effiziente Kommunikation zweier Roboter wurde weder auf einem RCX noch auf dem MIT Board 6 270 realisiert 6 2 2 Ziele der Neuentwicklung f r die Kommunikation Um eine Kommunikation zweier Roboter dennoch zu verwirklichen w re eine m gliche L sung einen PDA mit dem Controllerboard zu koppeln und die Kommunikation ber eine wireless LAN oder eine Bluetooth Schnittstelle zu verwirklichen Dabei sollte man darauf achten dass die Schnittstellen gen gend schnell sind damit es zu keiner Fehlinformationen bei den Angaben von beispielsweise eigenen gegnerischen und oder Ball Posi
76. ielfeld berblickt und pro Sekunde 30 bis 60 Bilder macht Zur Unterscheidung der Roboter sind an deren Oberfla che Farbmarkierungen angebracht Die Kommunikation zwischen dem Hostsystem und den Robotern wird blicherweise durch ein Funksystem realisiert bei dem sich die Mannschaft im Voraus auf die zu verwendenden Funkfrequenzen einigen W hrend des Spiels darf nicht in den Spielverlauf eingegriffen werden Die Systeme bestehend aus den Robotern plus dem Hostcomputer m ssen das Spiel autonom durchf hren Das Spiel wird allerdings durch einen Schiedsrichter berwacht der bei Regelverst en eingreifen kann und f r einen fai ren Spielverlauf sorgen soll Im diesem Fall d rfen die Teambetreuer die Systeme manuell stoppen und die resultierenden Feldpositionen der Roboter setzen 4 a Abbildung 4 8 Roboter der MiroSot League FIRA 04 4 2 2 NaroSot Hier handelt es sich um die kleinsten Vertreter der Roboter denn sie sind in dieser Klasse nur 4 cm x 4 cm x 5 5 cm gro und spielen in einer Teamst rke von Robotern auf einem 130 cm x 90 cm groBen Spielfeld gegeneinander Als Ball dient ein orangefarbener Tischtennisball Die Steuerung der Roboter ist identisch mit der MiroSot Klasse ab Abbildung 4 9 Roboter der NaroSot League FIRA 04 4 2 3 RoboSot Die Spieler sind in dieser Klasse maximal 20 cm x 20 cm x 40 cm groB Ein Team kann aus 1 bis 3 Robotern bestehen Das Spielfeld hat eine Gr e von 220 cm x
77. ifferentialantrieb die beiden Hinterr der an ein zweiter Servo Motor steuert das Vorderrad Bei dieser Art des Antriebs muss die Geschwindigkeit der Antriebsr der nicht kontrolliert werden um eine Geradeausfahrt zu erreichen Es reicht aus das Vorderrad geradeaus zu stellen Nachteilig ist hier das der Roboter nicht auf der Stelle drehen kann Abbildung 3 4 Dreiradantrieb 3 5 4 Ackermannlenkung Die von Autos bekannte Lenkung ist analog zum Dreiradantrieb nur dass hier eben zwei synchron lenkbare Vorderr der vorhanden sind Abbildung 3 5 Ackermannantrieb 3 5 5 Omnidirectional Antrieb Bei dieser Art Antriebssystem handelt es sich um einen Drei Achsen Antrieb wobei die Ach sen symmetrisch im Winkel von 120 angeordnet sind Die Rader sind sogenannte omni directional wheels die hier in Deutschland auch Allseitenrollen genannt werden Diese R der haben die F higkeit aktiv ber den Motor angetrieben zu werden und zus tzlich pas siv ber die integrierten Rollen in dem Rad quer zur Antriebssachse zu rollen Der Vorteil bei diesem System ist dass durch eine unterschiedliche Geschwindigkeitsregelung der Mo toren der Roboter in jede beliebige Richtung fahren kann ohne dass er sich drehen muss Ein weiterer Vorteil liegt darin dass die Gewichtsverteilung des kompletten Roboters nun auf drei R dern liegt und somit die Balance des Systems erh ht El Y Y Abbildung 3 6 Omnidirectional Ant
78. ile f r das RCX 0 0022 5 3 Kombination von LEGO Technik und MIT Board 5 4 Frauenhofer AiS Roboter o 5 5 Computer Science Freiburg Roboter Ziel der Neuentwicklung Gol Navigation lt ces cra AENA AA w 6 1 1 Diskussion der bisherigen Umsetzungen 6 1 2 Ziele der Neuentwicklung f r die Navigation 6 2 Kommunikation a 6 50318 Bas Be Ree Go ee OS AA A 6 2 1 Diskussion der bisherigen Umsetzung o 6 2 2 Ziele der Neuentwicklung f r de Kommunikation 6 3 Rechenleistung 2 4 2k eee a ee ake ee RAR RRS HRS 6 4 Systemspezifische Zeie 29 29 30 30 31 32 32 32 33 33 33 34 34 36 36 37 37 38 38 39 40 40 42 43 43 44 64 1 Regelkonformitat EEN 7 Hardware Auswahl Joly Metiodik gach tk Ge Woran ee ea we AEN bok we ch hat 7 2 Designenlschedungen zz 2 eee ee eee Ee a nd Ta Labor umgebu ung 2 4 s c e oras a OS SS A Boe A 7 4 Aktoren GAA MOEN 2 4 6 4408 6A Boe DA Eh PA ka a he yaa 7 5 Sensoren 2 nn 7 5 1 Entfernungsmessung 22 2 24 za 24 au 2a EE EES 7 5 1 1 Objekterkennung auf IR Basis Sharp IS471 7 5 1 2 Entfernungsmessung auf IR Basis GP2Dixx 7 5 1 3 Entfernungsmessung mit Ultraschall 7 5 1 4 Ball Sensoren aooaa 732 ee 224 2222 see ieee faa Oe Aa
79. inge Anzahl von Ein und Ausg ngen f r Sensoren und Motoren recht begrenz Durch diese begrenzten Sensorm glichkeiten der Robotertypen wird h ufig die Spielstrategie des Bolzeifers eines Kindes nachgeahmt d h dass alle Roboter zu erst den Ball suchen und direkt darauf zu steuern um gegebenenfalls das Tor zu treffen welches meistens auf der falschen Seite ist Schon beim einfachen Spiel 1 gegen 1 wird die Limitierung der F higkeiten der Roboterbauk sten deutlich und demonstriert dass diese Roboter der rechte Ballinstinkt fehlt Beim Spiel 2 gegen 2 wird versucht den zweiten Roboter als Torwart zu programmie ren der gegebenenfalls nur vorm Tor hin und her f hrt Dabei kann es passieren dass wenn der Torwart mit einem Gegen Mitspieler kollidiert er vom rechten Weg abkommt und quer ber das Spielfeld f hrt Viele der Roboter drehen sich orientierungslos im Kreis auf der Suche nach dem Ball schie en dabei Eigentore oder blockieren die Mitspieler der eigenen Mannschaft Um das Problem der in ihrer F higkeit M chtigkeit begrenzten Roboterbauk s ten der LEGO MINDSTORMS Familie zu verstehen muss man genauer darauf eingehen warum die Konstruktion eines Roboters der Fu ballspielen soll so schwierig ist Ein Roboter ist im Gegensatz zu einem Computer der sich vollst ndig deterministisch ver h lt sprich alle Daten liegen in digitaler Form mit beliebiger Genauigkeit vor ein dynami Abbildung 5 1 Der RCX Baustein
80. ist und diese an ein Controllerboard weiterleitet F r weitere Informationen wird hier auf das im Anhang beigef gten Beiblatt der Sensoren hingewiesen 7 5 2 Reflexkoppler Wie im Kapitel 3 6 1 schon erw hnt erm glichen sie die Unterscheidung von verschieden farbigen Oberfl chen Abbildung 7 9 verdeutlicht dass ein Reflexkoppler aus einer Fotodiode und einem Fototransistor besteht Abbildung 7 9 Funktionsweise eines Reflexkopplers 4Um den Sonar mit dem Handyboard anzusprechen zu k nnen sollte man die neue Version 4 von Interactive C InterC benutzt Der Befehl sonar f hrt die Messung und Auswertung durch und liefert die Entfernung in Millimeter zur ck Zwischen den Aufrufen von sonar sollte man mindestens 30 ms warten damit die Sonarechos der letzten Messung verklungen sind Dies kann einfach mit sleep 0 03 geschehen Die durch de Diode ausgesandte Lichtstrahlung wird vom zu untersuchenden Objekt teilwei se reflektiert und gelangt anschlieBend in den Fototransistor Je nach Starke des reflektierten Lichts erh ht sich dadurch der Transitorstrom so dass ein direkter Zusammenhang zwischen Transistorstrom und reflektierter Lichtmenge besteht Statt des Foto Transistors kann auch ein Spannungsteiler mit einem Fotowiderstand benutzt werden Die Beschaffenheit des Un tergrundes beeinflusst die Wahl der Fotodiode und auch des einzusetzenden Transistors erheblich Ein bereits fertig aufgebauter Reflexkoppler ist ein CNY 70 CNY
81. ition zu fahren Wie dieses Ziel erreicht wird ist nicht zeitspezifisch festgelegt 3 8 Aspekte aus dem Software Engineering 3 8 1 Wasserfallmodell Eines der h ufigsten eingesetzten Projektmodelle ist das Wasserfall Modell welches die Zer legung des gesamten Entwicklungsprozesses in mehrere in sich abgeschlossene Phasen beinhaltet Ein Beispiel einer solchen Phaseneinteilung zeigt Abbildung 3 8 Voruntersuchung Abbildung 3 8 Phaseneinteilung eines Entwicklungsprozesses Diese Phasen werden nacheinander durchlaufen und mit einer Neueren kann erst dann begonnen werden wenn die vorhergehende abgeschlossen ist Der Phasenverlauf ist al so strikt sequentiell Zur ckgef hrt wird das Wasserfallmodell auf die Publikation von Royce WR 70 Der Autor verwendet dabei selbst nicht das Wort waterfall model allerdings stellt er sein Vorgehensmodell mit Hilfe von Grafiken dar die intuitiv an einen Wasserfall erinnern Der Autor fordert dabei explizit auf den Schritt von einer Phase zur n chsten mindestens zweimal zu durchlaufen und damit gesicherte und abgenommene Ergebnisse zu schaffen auf die man sich bei sp teren Problemen wieder beziehen kann Ebenso sieht er ein noch maliges Durchlaufen der Phasen je nach Komplexit t der Aufgabenstellung vor 3 8 2 Extreme Programming Ein weiteres Modell ist das Extreme Programming eXtrP 02 was ein relativ neues Grund vorgehen in der Softwaretechnik ist Das Modell hat die
82. ldungsverzeichnis 1 1 Sojourner autonomes Robotersystem bei der Mars Mission 1997 NASA 04 11 3 1 Pulsweitenmodulation PWM 2 02 02522 eee 17 3 2 Kr fte am Roboter bei konstanter Geschwindigkeit 18 3 3 Differentialantrieb 2 22 2 Comm nn nn 20 3 4 Dreiradantrieb 21 3 5 Ackermannantrieb 21 3 6 Omnidirectional Antrieb 2 2 2 2 Hmm nn 22 3 7 Impulsfolge beim mechanischen Radencoder 24 3 8 Phaseneinteilung eines Entwicklungsprozesses 27 4 1 Roboter der Middle Size League RC 04 o 30 4 2 Roboter der Small Size League RC 04 e 31 4 3 Roboter der Sony Legged Robot League RC 04 31 4 4 Roboter der Humanoid League RC 04 32 4 5 Roboter der RoboCup Junior Soccer League RC 04 33 4 6 Roboter der RoboCup Junior Dance League RC 04 34 4 7 Roboter der RoboCup Junior Rescue League RC 04 35 4 8 Roboter der MiroSot League FIRA D4 o 36 4 9 Roboter der NaroSot League FIRA 04 e 37 4 10 Roboter der RoboSot League FIRA 04 37 4 11 Roboter der KheperaSot League FIRA 04 38 4 12 Roboter der HuroSot League FIRA 04 e 38 4 13 Roboter der SimuroSot League FIRA 04 39 5 1 Der RCX Baustein von LEGO MINDSTORMS mit Motoren und Sensoren LEGO no e
83. ler finden kann als wenn das System nur einen Ballsensor besitzt Weiterhin m sste die Plattform mit einem Ballsensor komplett umgebaut werden da der Servo der das Sys tem antreiben soll nur Winkel von 0 bis 180 anfahren kann Durch diese Einschr nkung m sste eine Untersetzung installiert werden welches sehr viel Platz beansprucht Abbildung 8 4 Skizze f r die Ebene der Ballsensoren 8 1 4 Sensoren Ebene Direkt ber der Antriebsebene wurde mit drei Gewindestangen die zweite Ebene befes tigt Auf der Unterseite dieser Ebene wurde der Servo angebracht der f r die Drehung der Ballsensorplattform zust ndig ist und ber zwei Winkelzahnr der angetrieben wird Auf der Oberseite der zweiten Ebene wurde wie auch schon auf der Antriebsebene eine weitere Zwischenplattform f r die Umgebungssensoren angebracht Dabei entspricht diese Plattform ein Sechseck wobei drei Sharpsensoren nebeneinander angebracht sind und ein Sensor nach hinten ausgerichtet ist siehe Skizze 8 5 Abbildung 8 5 Skizze f r die Ebene der Umgebungssensoren Da das MIT Board 6 270 nur einen Servo Anschluss zur Verf gung steht muss diese Um gebungssensorplattform mit Hilfe eines Motor angetrieben werden Damit nun die Sharp sensoren die geforderte Position einnehmen k nnen wurde auf der zweiten Ebene sechs Kontaktstellen in der Mitte der wichtigsten Himmelsrichtungen N NO SO S SW und NW angebracht Da unterhalb der Umgebungssensorenplattform auc
84. llsensors wird durch eine drehbare Plattform verbessert Damit wird eine bessere Kontrolle ber den Spielball erreicht Weiterhin sind Umgebungssensoren angebracht die sich in alle Richtungen drehen k nnen Dies erm glicht eine gute Kontrolle ber die unmittelbare Umgebung Michael Manger Title of the paper Design and realization of an experimental platform for robot soccer Keywords mobile robots omnidirectional drive system RoboCup Junior Soccer League Abstract This work describes the realization of an experimental platform Before the construc tion of the robot examinations of the already available robot systems of RoboCup Junior Soccer League and suggestions for improvement were worked out The rules of this League form the basis The platform is stable and divided into several levels to enable a quick construction and reorganization The drive system is equipped with omnidirectional wheels This drive system enables the robot to drive in every possi ble direction without having to turn A rotatable platform improves the view angle of the ball sensors which are used in the RoboCup Junior Soccer League This improves the control over the match ball Additionally surrounding sensors are placed which are able to turn in every direction This enables a good control over the surrounding area Danksagung Es gibt viele Diplomarbeiten die sich mit der Danksagung knapp halten Doch ich finde dass man sich bei den viele Leuten
85. ltronics RoboBall It is specifically designed for use with robots competing in the RoboCup Junior competitions The sensors also provide a visual output when the sensors see the ball This sensor was designed and used successfully by Bill Corcoran Josh Bennion Geordie MacDonald and Andrew French the winning team in RoboCup Junior 2000 The sensor is divided into 2 printed circuit boards PCBs a control PCB and a Sensor block PCB Fig 1 Control PCB Component Overla ara UR2 ke e i e LEID 1 g Bu IR Sensor The Control PCB Load and solder the parts into the control PCB referring to the component overiay the component list and the circuit diagram You will note the area on the PCB containing VR2 Rx and R1 this area is provided to assist with modifications and experimentation with the circuit See section titled Modifications The basic kit is supplied with resistor R1 only Rx and VR2 do not need to be fitted A LEGO lead cut to 10cm should be fitted to the ve and the ve points marked on the PCB Note LEGO leads are not supplied in the kit Fig 2 Sensor Block PCB Component Overlay tn gg en for 8 Sensor Block B The Sensor Block PCB Load and solder the QSD723 photo transistors on to the Sensor Block PCB the long lead goes to the positive rail marked A and the short lead goes to the negative rail marked K Connect the cable from the control PCB A to A
86. mgebung ohne gr ere Schwierigkeiten zu navigieren Man k nnte auch versuchen dieses Antriebsystem Gel ndetauglich zu machen dann k nnten solche Robo terkonstruktionen im Bereich der milit rischen Aufkl rung oder bei Rettungsarbeiten in Kata strophengebieten eingesetzt werden Eine weitere berlegung w re solche Antriebssystem im Bereich der Fahrzeugtechnik zu integrieren Dies w rde das Einparken in manch enge Parkl cke sehr erleichtern Abbildung 8 21 Die Experimentelle Roboterplattform A Schaltplan Verst rker Der Verstarker fur die Sharp Sensoren mit vier Eingangen ist eine Weiterentwicklung von Gunther Lemm Das Layout der Platine wurde von Timo Storjohann erstellt Dieser Verstar ker beruht auf einer Schaltung die im Roboter Labor erstmals von Rainer Balzerowski gebaut wurde Informationen zu der Schaltung gibt es auf den Seiten der HAW Hamburg HAWLe go B Datenblatt Sharp Sensor GP2D12 SHARP GP2D12 GP2D15 G IP T Dist GP2D12 GP2D15 gun Distance E Features E Outline Dimensions Unit mm Less influence on the color of reflective objects reflectivity Line up of distance output distance judgement type Distance output type analog voltage GP2D12 Detecting distance 10 to 80cm Distance judgement type GP2D15 Judgement distance 24cm Adjustable within the range of 10 to 80cm ba 3 External control circuit is unnecessary 4 Low cost E Applications 1 TVs 2 Personal computers
87. n Radius ca 48 cm um Rad 2 rechtsrum gerade aus Richtung NO Nordost Radius ca 7 5 cm ber Rad 2 und 3 rechtsrum Radius um Rad 2 rechtsrum Radius ca 48 cm um Rad 3 rechtsrum 10 0 RadiusumRad3 rechtsrum 2 3 A 5 6 7 8 9 10 m 12 13 15 16 Abbildung 8 10 Bewegungsm glichkeiten des Antriebssystems Motor 1 100 Motor 2 100 Motor 3 0 gerade nach Norden Motor 1 0 Motor 1 100 Motor 2 100 Motor 2 0 Motor 3 100 Motor 3 100 gerade nach Nordwesten gerade nach Nordosten N ra H Motor 1 100 Be d S ag Motor 1 0 Motor 2 0 Motor 3 Motor 2 100 Motor 3 100 Motor 3 100 gerade nach S dwesten gerade nach S dosten Motor 1 100 Motor 2 100 Motor 3 0 gerade nach S den Abbildung 8 11 Bewegungsm glichkteiten Himmelsrichtungen Dies wurde dadurch entschieden da das Antriebssystem nicht die notwendige Geschwin digkeit aufweist um mit kleineren Leistungen der Motoren zu arbeiten Die wichtigsten Rich tungen dieser Bibliothek sind die Himmelsrichtungen Norden Nordosten S dosten S d westen und Nordwesten siehe Abbildung 8 11 sich im Stand nach rechts oder links drehen oder sich bei Dauerbetrieb bei bestimmten Motoreinstellungen um verschiedene Radien um einem dadurch definierten Punkt zu drehen siehe Abbildung 8 12 und 8 13 Hinzu kommt der Stillstand des Motors a N Motor 1 0 E Motor 1 0 Motor 2 0 o Motor 2 0 Motor 3
88. n Falls kein Board an die serielle Schnittstelle angeschlossen ist kann man in den Einstellungen ange ben dass das Board ignoriert werden soll um das Arbeiten am Programmcode auch ohne Anschluss des Boards zu erm glichen Weitere Funktionalit ten der Entwicklungsumgebung von Interactive C sind einfache Editorfunktionen wie Find Replace und Goto Line Eine Hilfe zu den verschiedenen zur Verf gung stehenden Funktionen wird ebenfalls angeboten 8 2 2 Programme f r den Pocket PC F r die Entwicklung der Software f r den PDA wird die kostenlose Entwicklungsumgebung Visual C 3 0 von Microsoft Embedded benutzt F r weitere Informationen wird auf die Diplomarbeit von Mirco Gerling Gerling hingewiesen der die Schnittstelle zwischen dem Pocket PC und dem Controllerboard entwickelte 8 2 3 Bibliothek des omnidirectional Antriebssystems Das Besondere an diesem Roboter ist sein Antriebssystem welches es ihm erlaubt in jede beliebige Richtung zu fahren ohne sich vorher in die entsprechende Fahrtrichtung drehen zu m ssen Da es die Bibliothek der Motorsteuerung von Interactive C erlaubt den Motor in 8 Geschwindigkeitsstufen zu betreiben und er entweder nach rechts oder links drehen kann gibt es daher 3374 verschiedene Bewegungsm glichkeiten die der Roboter bew l tigen kann zuz glich dem Stillstand des Roboters Da sich jedoch einige Bewegungsm g lichkeiten nur durch die Geschwindigkeit unterscheiden ist die Anzahl der Ric
89. n mit vier LEGO MINDSTORMS Motoren sieht man auch wenn ein MIT Board 6 270 benutzt wird Es ist aber auch mit diesem Board m glich leistungsst rkere Motoren des Modellbaues einzusetzen Es muss noch ber cksichtig werden dass je mehr Motoren eingesetzt werden desto h her auch der Energiebedarf des Roboters ist sowie das Gewicht der Roboter durch zus tzliche Motoreninstallation erh ht wird und durch mangelnden Boden und Radbeschaffenheit zu Schlupfeffekten f hren kann Ein gutes Mittelmass spielt f r die Bewegungen der Roboter eine entscheidende Rolle Der Bereich Drehung in der RoboCup Junior Soccer League ist recht einfach gestrickt denn da fast alle Robotertypen mit der Differenzialsteuerung arbeiten sind all diese Roboter un symmetrisch zur Lenkachse ausgerichtet und so gezwungen eine Drehung bis 180 in Kauf zu nehmen Diese Konstruktion der Differenzialsteuerung verl ngert den zu fahrenden Weg des Roboters um gezielt hinter dem Ball zu kommen ertr glich Dabei kann es vor kommen dass der Roboter kurze Zeit die Kontrolle des Balles verliert da der Ball evtl in Bewegung ist und ihn nicht an der vermuteten Position wieder findet Eine Untersetzung besteht haupts chlich aus einem gro en Zahnrad welches am Motor angeschlossen wird und einem im Durchmesser kleineren Zahnrad welches an der Achse des Rades montiert ist In der RoboCup Junior Soccer League ist es blich dem Roboter eine Ballf hrung zu er m glichen
90. n und Aktoren besitzt Weiterhin ist es zur Zeit nicht m glich eine Verbindung zwischen dem PDA und dem RCX herzustellen Die HAW Hamburg besitzt schon seit geraumer Zeit ein Controllerboard MIT Board 6 270 MIT 04 siehe Abbildung 7 13 welches in den Seminarkursen durch seine vielen An schlussm glichkeiten gro e Beliebtheit errungen hat Abbildung 7 13 MIT Board 6 270 Die CPU besteht aus einem Motorola 68HC11 mit 2 MHz Taktfrequenz und 32 KByte RAM Das Board besitzt 8 digitale und 16 analoge Eing nge einen Servo und vier Motoren Ausg nge Die Motoren k nnen ber spezielle Treiberstufen sog Motortreiber vom Typ 5Das MIT Board 6 270 ist eine Konstruktion von Fred Martin Pankaj Oberoi und Randy Sargent L293D im Board integriert direkt mit der Akkuspannung versorgt werden Bei der Aus wahl der Motoren ist auch auf die maximale Stromaufnahme zu achten denn sie liegt bei 600 mA pro Motor Flie en h here Str me werden die Motortreiber und oder sogar das ge samte Board zerst rt F r Kontrollen hat das Board ein Zwei Zeilen Display Siehe dazu im Anhang unter MIT Board 6 270 Ein weiterer interessanter Kandidat f r ein passendes Controllerboard ist das Handy Board Handy siehe Abbildung 7 14 der Nachfolger des MIT Board 6 270 LCD Connector Polarold 6500 Sonar Ranging hai el lt Connector A ital LEGO Analog Outputs Sensor Sensor Inputs Inputs a b Abbildung 7 14 Handy Board a u
91. n und einem IC zur Posi tionssteuerung Servos besitzen neben den blichen Leitungen f r Masse und Phase eine dritte Leitung die sogenannte Steuer oder Signalleitung ber diese Leitung wird dem Servo die anzufahrende Position mitgeteilt Dies geschieht nach der oben angesprochenen PWM Methode Eine bestimmte Impulsl nge steht f r eine bestimmte Position Um einen Servomotor zu einem Antriebsmotor umzubauen muss man den Servo leichten baulichen Ver n derungen unterziehen Eine gute Anleitung dazu ist in Applied Robotics EW 99 zu finden 3 5 Antriebskonzepte Beim Entwurf eines Roboters kann man aus vielen verschiedenen Antriebskonzepten wah len von denen jedes seine eigenen Vor und Nachteile besitzt Hier werden die wichtigsten Antriebsformen vorgestellt 3 5 1 Differenzialantrieb Dieses Antriebssystem besteht aus zwei separat angetriebenen R dern Der Roboter hat damit die M glichkeit geradeaus zu fahren auf der Stelle zu drehen und sich auf einer Kreisbahn zu bewegen Bei diesem Antrieb ist die Balance ein Problem denn neben den beiden Antriebsr dern m ssen zus tzlich ein oder zwei Freilauf oder St tzr der angebracht werden Ob nun ein oder zwei St tzr der n tig sind h ngt von der Gewichtsverteilung des Roboters ab Wenn sich der Roboter dreht muss das Freilaufrad frei schwenkbar sein und einen m glichst gro en Nachlauf haben damit es leicht zur Seite wegklappen kann Anstelle eines Freilaufrades
92. ncoder 3 6 2 2 Optische Radencoder Optische Encoder stellen eine Alternative zu den mechanischen Sensoren dar Es gibt zwei Arten optischer Radencoder Photounterbrecher und Photoreflektoren 3 6 2 3 Photounterbrecher Photounterbrecher arbeiten wie eine Lichtschranke indem ein Lichtsignal ausgesandt und empfangen wird Zwischen Sender und Empfanger befindet sich eine rotierende Scheibe die den Lichtstrahl abwechselnd unterbricht und hindurchlasst Dadurch entstehen wieder um Impulse die gez hlt werden k nnen Die Scheibe kann eine Metall oder Plastikscheibe sein in die L cher oder Schlitze gefr st sind Man kann auch eine durchsichtige Kunststoff scheibe verwenden bei der bestimmte Bereiche geschwarzt also lichtundurchl ssig sind blichweise wird Infrarotlicht verwendet um weniger anf llig gegen Umgebungslicht zu sein Trotzdem sollte man auf eine Abschirmung des Empf ngers achten so dass m glichst kei ne Fremdstrahlung empfangen wird Man kann nat rlich auch eine normale im sichtbaren Bereich arbeitende LED verwenden Fotowiderst nde sind aber als Empf nger meist un geeignet da sie zu tr ge reagieren Hier sollte also ein Fototransistor oder eine Fotodiode verwendet werden Zur Erkennung der Drehrichtung muss eine zweite etwas versetzt ange brachte Lichtschranke verwendet werden 3 6 2 4 Photoreflektoren Photoreflektoren arbeiten nach einem hnlichem Prinzip nur wird hier der Strahl nicht unter brochen s
93. nd Expansion Board f r das Handy Board b Handy Dieses Board besitzt wie das MIT Board 6 270 4 Motoren Ausg nge jedoch zus tzlich 6 Servo Ausg nge Weiterhin sind 6 digitale Ausg nge und 8 digitale Eing nge sowie 19 ana loge Eing nge verf gbar Das Board hat speziell f r LEGO Sensoren 4 analoge Eing nge und ein IR Ausgang Ein obligatorisches Display f r die Kontrolle der Programme ist im Board auch integriert Siehe dazu Anhang Handy Board W hrend der Diplomarbeit besorgte die HAW Hamburg ein Brandenburg Board Aksen welches auch einige interessante Anschlussm glichkeiten aufweist Abbildung 7 15 Aksen Das Aktor und Sensorboard Aksen Aksen Board das Aktor und Sensorboard Dieses Board verf gt ber vier Motor Treiber wobei das Besondere ist dass hier max 1000mA zur Verf gung stehen was eine Steigerung der Motorenauswahl beinhaltet da die anderen Controllerboards bei ihren Motor Treiber auf max 600mA begrenzt sind Es gibt 3 Servo Ausg nge 16 digitale Ein Ausg nge und 15 analoge Eing nge Weiterhin besitzt das Board ein CAN Interface 4 L mpchen Treiber max 600mA 1 modulierten IR Ausgang 40 KHz sowie 3 Encoder Eing nge f r positionsgesteuerte DC Motoren Eine LCD Anzeige ist im Board optional integriert Siehe Anhang Aksen Board Seit einiger Zeit gibt es auf dem Markt auch sogenannte Mini ITX Boards Mini ITX welche wie gew hnliche PCs ausgestattet sind jedoch nur einen sehr kl
94. nd Motivation des Verfassers die ser Arbeit werden im dritten Kapitel dem Leser die n tigen Grundlagen ber Robotfu ball vermittelt um diesen mit der Materie vertraut zu machen Im vierten Kapitel werden die beiden gr ten Initiativen RoboCup FIRA die sich mit teil Jautonome Roboter besch fti gen vorgestellt Anschlie end wird im f nften Kapitel besondere ausgew hlte existierende Robotersysteme vorgestellt Daraufhin werden im sechsten Kapitel die Ziele einer Neuent wicklung mit Hilfe der vorgestellten Robotersysteme des f nften Kapitel erarbeitet und dis kutiert Des weiteren wird im siebten Kapitel einige Hardwarebauteile vorgestellt die f r eine Neukonstruktion eines Roboters interessant erscheinen k nnte Im achten Kapitel wird die Konstruktion und Realisierung des Roboterprototypen n her beschrieben wobei auf den Hardware und den Softwareanteil eingegangen wird Zum Abschluss wird ein Ausblick auf weitere Entwicklungsm glichkeiten des Projektes gegeben Hinweis zu Markennamen Alle in dieser Arbeit verwendeten Firmen und oder Produktnamen sind Warenzeichen und oder eingetragene Warenzeichen ihrer jeweiligen Hersteller in ihren M rkten und oder L ndern 2 Allgemeine Aufgabenstellung 2 1 Aufgabenstellung In dieser Diplomarbeit wird eine experimentelle Plattform f r einen Roboter realisiert der in der Lange ist an einem Roboterfu ballspiel vollst ndig autonom teilzunehmen Dabei muss der Roboter so konstrui
95. ndet Sensordaten welche die Ver nderung der Roboterposition innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitte beschreiben Durch diese Ver nderungen kann man auf die ab solute Roboterposition zur ck greifen Beim Landmarkenverfahren besitzt der Roboter eine Karte seiner Umgebung mit gegebenen Hindernissen siehe Kapitel 3 3 3 3 3 1 Absolute Verfahren Ein gutes Beispiel f r ein absolutes Verfahren zur Positionsbestimmung stellt sicherlich das GPS global positioning system dar Ein GP System erm glicht durch den Empfang von GPS Satellitendaten unter anderem eine Positionsbestimmung auf der Erdoberfl che mit einer blichen Genauigkeit von 10 bis 20 Metern Es wird der Zeitversatz beim Empfang der Daten von mindestens drei Satelliten gemessen so dass auf den Abstand des Empf n gers von den Sendepunkten und somit auf die Position des Empfangers geschlossen werden kann Dieses Verfahren nennt man Trilateration Falls nicht die Entfernung sondern die Rich tung der Sender bestimmt wird spricht man von Triangulation Fur dieses Verfahren werden zumeist Infrarot Sender benutzt Ein rotierender Sensoremp fanger bestimmt die Winkel zu den einzelnen Sendern und kann daraus die absolute Position des Sensors ermitteln 3 3 2 Relative Verfahren Ein Beispiel f r ein relatives Verfahren ist die deduktive Berechnung Dead reckoning oder deduction reckoning welches aus der Seefahrt kommt Hier kann man mit Hilfe von ein fachen Messinstrumenten dur
96. nding to use SHARP devices for any specific applications other than those recommended by SHARP or when it is unclear which category mentioned above controls the intended use If the SHARP devices listed in this publication fall within the scope of strategic products described in the Foreign Exchange and Foreign Trade Control Law of Japan it is necessary to obtain approval to export such SHARP devices This publication is the proprietary product of SHARP and is copyrighted with all rights reserved Under the copyright laws no part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by any means electronic or mechanical for any purpose in whole or in part without the express written permission of SHARP Express written permission is also required before any use of this publication may be made by a third party Contact and consult with a SHARP representative if there are any questions about the contents of this publication e leet LLL jaje ger fuebuz sshomuy TE gan Ey E E YA 1040 4 Ms Gen H ou efor 61 oz iz za cz ve sz fae ez ep eafoc ic o fr fefefrfsfo e ES Bushu mb pur qovu Bur ua Bucbeny Japo LON Gei 14465 0937 8 EZ ve D Lod Jara Jageyps 43 5503 U Bunge pueogApuey sap sssn yosuy C Handyboard BELLARINE RoboBall SENSOR KIT RO218 RO218DC1V1 The Bellarine RoboBall Sensor is designed to provide improved performance in locating the Infrared IR output of the Wi
97. nem Gewicht von 410 450 g gespielt Regeln 2004 RC MSL04 Abbildung 4 1 Roboter der Middle Size League RC 04 4 1 2 Small Size League Bei dieser League die auch unter der Bezeichnung F180 bekannt ist stehen sich nicht mehr als f nf Roboter pro Mannschaft auf einem gr nen harten Platte mit einer L nge von 4 90 m und einer Breite von 3 40 m gegen ber RC SSLField 04 Einer der Roboter muss die Funktionen des Torwart bernehmen und alle Roboter m ssen eindeutig nummeriert sein so dass der Schiedsrichter die Spieler identifizieren kann Der Durchmesser der Roboter wurde im Gegensatz zu den Anfangszeiten der Small Size League von 30 cm auf 18 cm reduziert Jedes Team kann auf ein globales Visionssystem zugreifen welches oberhalb des Spielfeldes angebracht wird Wenn die Kamera verwendet wird dann d rfen die Roboter eine H he von 15 cm nicht berschreiten Wie bei der Middle Size League ist eine Kom munikation zwischen den Robotern oder einer Kommunikationsschnittstelle au erhalb des Spielfeldes erlaubt Auch hier ist es untersagt sich w hrend des Spiels einzumischen Ein Match kann bis zu zwei mal 10 Minuten dauern Es wird mit einem orangefarbigen Golfball mit einem Durchmesser von etwa 43 mm und einem Gewicht von etwa 46 g gespielt Regeln 2004 RC SSL04 Abbildung 4 2 Roboter der Small Size League RC 04 4 1 3 Sony Legged Robot League In dieser Liga k mpfen vierbeinige Roboter AIBO seit 1999 mit vier
98. nicht in einer Grauabstufung bedruckt wie in den Regeln der RoboCup Ju nior Soccer League vorgesehen ist sondern wurde mit grauem Fils ausgelegt um die zuf l ligen Bewegungsabl ufe des Spielballes zu verhindern und dadurch eine bessere Kontrolle ber diesen zu haben Bei dem Ball Roboball MK2 der Firma Wiltronics WRPL03 siehe Abbildung 7 2 der in der HAW Hamburg eingesetzt wird und den Regeln der RoboCup Junior Soccer Legaue entspricht handelt es sich um einen Kunststoffball der 105 g schwer ist und einen Durchmesser von ca 8 cm aufweist In seinem Inneren befinden sich Leucht dioden LEDs die durch eine Batterie gespeist werden und durch die der Ball von den Spielern wahrgenommen werden kann Abbildung 7 2 Roboball MK2 der Firma Wiltronics WRPL03 Falls L tarbeiten am Roboter Sensorik oder Aktoren durchgef hrt werden m ssen steht eine kleine Werkstatt im Raum 11 64 mit allem was man f r solche Arbeiten braucht zur Verf gung 7 4 Aktoren 7 4 1 Motoren Bei der Auswahl eines geeigneten Motors siehe Abbildung 7 3 sind einige Informationen und Berechnungen Uber Drehmoment Drehzahl Leistung usw zu beachten Wie man diese Eckdaten eines ben tigten Motors bekommt wurde im Kapitel 3 4 2 erl utert Abbildung 7 3 Servomotoren Umbaubar zu einem Antriebsmotor Wenn man nun alle ben tigten Informationen zusammengetragen hat dann muss noch ein wichtiger Punkt in Betracht gezogen werden Der Strom und S
99. nische und elektronische Fahrregler bekannt Ein mechanischer Fahrregler enth lt einen niederohmigen Spannungsteiler welcher die Ver sorgungsspannung vor dem Motor unterteilt Dabei gilt je h her der Anteil des Motors an der Versorgungsspannung ist desto mehr Leistung steht dem Motor zu Verf gung Der Nach teil des Verfahrens liegt im Verlust der restlichen Versorgungsspannung die im Fahrregler in W rme umgesetzt wird Das in dem Bereich mobile Roboter h ufig eingesetzte Verfahren ist ein elektronische Fahrregler welche die Versorgungsspannung mit einer festen Frequenz pulst Dabei wird dem Motor in schnellem Takt kurzzeitig die volle Versorgungsspannung zur Verf gung gestellt Durch die Tr gheit des Motors wird die Wirkung der Spannungsimpulse ber die Zeit gemittelt Die Ver nderung des Verh ltnisses zwischen den beiden Zust nden Spannung und keine Spannung wirkt f r den Motor wie eine Gleichspannungsversorgung zwischen O V und der maximalen Betriebsspannung Die elektronische Regelung benutzt als Eingangssignal ein PWM Signal PWM pulse width modulation und schaltet mit Hilfe dieses Signals die Versorgungsspannung der Motoren PWM 1 N Wert 1 o In 0 1 0 Abbildung 3 1 Pulsweitenmodulation PWM Ein PWM Signal besteht aus einem Wechsel von logisch 1 und logisch 0 mit der M glichkeit die Breite des logisch Pulses zu ver ndern siehe Abbildung 3 1 Mit diesem Verfahren kann die gew nschte Motorspannung digital kodiert
100. oboterfu balls der Begriff Roboter und kooperative autonome Multiagentensysteme zu benutzen denn im Roboterfu ball handelt es sich um simulierte oder reale Roboter Weiterhin kann man den Begriff Roboter noch weiter spezi fizieren in teilautonome und voll autonome Roboter Ein teilautonomer Roboter kann nicht alle seine Aufgaben g nzlich autark l sen denn er ist auf externe Unterst tzung ange wiesen So k nnen seine Entscheidungen von Daten abh ngig sein die sich nicht ber seine lokale Sensorik ermitteln lassen Dies sind im Roboterfu ball beispielsweise Positionsdaten die durch eine globale Bildverarbeitung ermittelt und von einem Serverrechner zur Verf gung gestellt werden Die voll autonomen Roboter verlassen sich g nzlich auf ihre lokale Sensorik 3 3 Navigation Die Navigation eines autonomen mobilen Roboters erfordert Verfahren zur Bestimmung und Messung der Roboterposition die im Idealfall vom Roboter selbst ausgef hrt werden k n nen In diesem Abschnitt soll ein kurzer berblick ber verschiedene Verfahren und die daf r notwendige Sensorik gegeben werden Die m glichen Verfahren zur Positionsbestimmung lassen sich unterteilen in absolute und relative Navigation sowie Navigation mit Hilfe von Landmarken Verfahren der absoluten Navigation wertet Sensordaten aus die auf die abso lute Position des Roboters in einem Koordinatensystem schlie en lassen Relative Naviga tion verwe
101. ondern das reflektierte Signal ausgewertet Als Sensor kann man einen Reflex koppler verwenden da die Reflexkoppler Hell und Dunkel unterscheiden k nnen L sst man also eine Scheibe mit Schwarz Wei Muster vor dem Reflexkoppler rotieren erh lt man die gew nschte Impulsfolge 3 6 3 Entfernungssensoren Ein entscheidender Punkt in nahezu allen Anwendungsbereichen mobiler Robotik ist das Messen von Entfernungen zu bestimmten Objekten um eine Kollisionen mit Hindernissen zu vermeiden Dar ber hinaus gibt es aber noch andere Anwendungsm glichkeiten wie Su chen und Finden von Objekten im Raum oder der Orientierung und Positionsbestimmung in der Umgebung Entfernungssensoren werden in drei Klassen unterteil Die einfachste Methode ein vor dem Roboter liegendes Hindernis zu erkennen ist der Ein satz eines Ber hrungssensors welches im Roboterbereich auch oft als Bumper bezeichnet wird Ber hrungssensoren sind h ufig Mikroschalter die einen Kurzschluss bzw eine Un terbrechung des Kurzschlusses bei einer Ber hrung des Schalters verursachen Die zweite Klasse von Abstandsmessern besteht aus Sensoren die Objekte innerhalb eines bestimm ten Entfernungsbereiches erkennen k nnen und ein Signal abgeben wenn die Entfernung des Objekts einen bestimmten Schwellwert unterschreitet Die Sensoren liefern also nur ein bin res Ausgangssignal Entweder Objekt erkannt oder kein Objekt Die dritte Klasse liefert nun auch Informationen be
102. or In manchen Disziplinen in Bereich der autonomen Roboter wird die genaue Messung des vom Roboter zur ckgelegten Weges gefordert Schon das einfache Geradeausfahren kann unter Umst nden gro e Schwierigkeiten bereiten wenn man keine Sensoren zur Bestim mung des zur ckgelegten Weges einsetzt So kann es passieren dass die Roboter statt geradeaus zu fahren eine Kurve beschreiten Solche Probleme treten fter bei Robotern mit zwei unabh ngigen Antriebsr dern Differentialantrieb auf siehe Kapitel 3 5 1 Die ses Fehlverhalten kann aber durch die Bestimmung der tats chliche Drehgeschwindigkeit bzw den tats chlich zur ckgelegten Weg f r jedes der beiden Antriebsr der ausgeglichen werden Treten Differenzen auf f hrt der Roboter offensichtlich nicht geradeaus und muss mittels Software nachgeregelt werden indem man den einen Motor mit etwas h herer Span nung versorgt Soll sich der Roboter um einen bestimmten Winkel drehen ist es ebenfalls notwendig den gefahrenen Weg f r jedes Rad exakt zu kennen Anhand des Radabstandes kann man die zu fahrende Strecke f r jedes Rad bestimmen wenn sich der Roboter um einen bestimmten Winkel drehen soll Kennt man zu jeder Zeit den gefahrenen Weg und den aktuellen Drehwinkel des Roboters ist auch eine Positionsbestimmung und Navigation m g lich Aus gefahrenem Weg und Winkel l sst sich eindeutig eine x y Koordinate errechnen an der sich der Roboter im Moment befindet Sensoren zur Wegmessung
103. p Soccer Es existieren die folgenden verschiedene Roboterklassen darunter auch reine Simulatorklassen Die Regeln dieser Initiative wurden in den Jahren immer wieder verbessert und werden hier in der aktuellen Version 2004 kurz dargestellt F r detailliertere Informationen der Spielregeln wird am Ende der jeweiligen vorgestellten Liegen ein Veiweis drauf hingewiesen 4 1 1 Middle Size League Ein Match das maximal zwei mal 45 Minuten dauert besteht aus mindestens zwei und h chstens 11 Spielern pro Team wobei einer der Spieler die Torwartaufgabe bernehmen muss Die Anzahl der zugelassenen Spieler h ngt von der Gr e der Roboter ab die zwi schen 30 cm x 30 cm und 50 cm x 50 cm variiert und diese Ma e nicht unter bzw ber schreiten darf Die H he der Roboter betr gt mindestens 40 cm und h chstens 80 cm Die grundlegende Farbe der Roboter sollte schwarz und nicht mit Material versehen sein das Reflexionen verursacht Kommunikation zwischen den Robotern in einem Team wird prinzi piell erlaubt sowie zwischen den Robotern und entfernten Rechnersystemen Es darf jedoch w hrend des Spieles keine menschliche Einmischung stattfinden Das Spielfeld welches einen gr nen Untergrund aufweist hat eine L nge zwischen mindestens 8 m und h chstens 16 m und eine Breite von mindestens 6 m und h chstens 12 m blicherweise wird auf einem Feld von 12 mx 8 m gespielt Es wird meistens mit einem Lederball mit einem Durchmesser von 68 70 mm und ei
104. pannungsbedarf des Motors Die meisten Motoren arbeiten mit Spannungen von 6 bis 12 Volt welches in dem Bereich des ben tigten Wertes liegt Die Motortreiber zum Beispiel des MIT Board 6 270 d rfen je doch nur mit maximal 600 mA belastet werden ansonsten werden sie zerst rt Darum soll te man drauf achten dass der Dauerstrom weit unterhalb dieses Wertes liegt Kurzfristige Stromspitzen verkraften die Motortreiber des MIT Borads man sollte sie aber nicht st ndig am Limit betreiben Bei der Wahl nach dem passenden Antriebsmotor wurde aus finanziel len Gr nden auf die vorhandenen Motoren zur ckgegriffen Diese Motoren sind umgebaute Servo Motoren GIGA live ce STANDARD Dieser Motor hat ein Kunststoffgetriebe seine Motordrehzahl liegt bei ca 40 Umdrehungen pro Minute und die Abmessungen betragen 39 5 mm x 20 mm x 30 mm Als Servo hat dieser eine Stellgeschwindigkeit von 0 17 sec und eine Winkelgr e von 40 Eine gute Alternative ist der Servo S 71 da er ein hohes Drehmoment besitzt und doppelt kugelgelagert ist sowie ber ein Metallgetriebe verf gt F r andere Alternativen siehe auch unter Servos 7 5 Sensoren 7 5 1 Entfernungsmessung Wie im Kapitel 3 6 3 schon erwahnt gibt es drei Klassen e Die erste Klasse besteht aus den Ber hrungssensoren die auch als Bumper bezeich net werden und h ufig aus Mikroschalter bestehen Diese Schalter verursachen bei einer Ber hrung einen Kurzschluss bzw eine Unterbrechung
105. pen mit einer LEGO Plattform recht schnell und kompakt aufzubauen sind Dennoch sind viele Robotertypen recht labil so das es bei Kollisionen zu Sch den am Roboter selbst kommen kann 6 1 2 Ziele der Neuentwicklung f r die Navigation Es ergeben sich aus der bisherigen Diskussion folgende Ziele f r die Neuentwicklung Die Differenzialsteuerung erwies sich bis jetzt immer als das ausgereifteste System bei einer Roboterplattform jedoch ist diese Art Antriebssystem recht unflexibel und muss mit einer neueren Idee einer Antriebsplattform verbessert werden Dabei soll te untersucht werden ob ein Antriebsystem mit omnidirectional wheels verwirklicht werden kann Omnidirectional wheels sind R der die sich in alle Richtung bewegen k nnen und hier in Deutschland auch als Allseitenrollen bekannt sind Um die Navigation und Positionsbestimmung zu verbessern sollte der Roboter die M glichkeit haben durch eine Rundumsicht die Kontrolle seiner Umgebung zu ge w hrleisten Daf r d rfen die Umgebungssensoren nicht starr vorne am Roboter be festigt sein sondern m ssen auch in der Lage sein in eine andere Richtung schauen zu k nnen Dieses Prinzip gilt auch f r den Ballsensor denn der Roboter sollte es vermeiden die Kontrolle ber den Ball zu verlieren Um den Roboter stabiler zu gestalten darf die Plattform nicht mehr aus LEGO Technik bestehen Weiterhin sollte die Plattform so konstruiert sein dass sie leicht umzubau
106. pischer Aufbau der Plattformen Durch diese Vorgaben wird die berlegung angestellt das Robotersystem in verschiede ne Ebenen zu unterteilen um eine Unabh ngigkeit der verschiedenen Plattformen zu ge w hrleisten Dabei beinhaltet die untere Ebene das Antriebssystem und die Ball Sensoren Die n chste Ebene soll nur f r die Umgebungssensoren zust ndig sein Danach wird die Elektronik und Batterie Ebene entstehen Die oberste Ebene ist f r das Controllerboard und gegebenenfall den PDA zust ndig Bevor genauer ber die Konstruktion und Installation der einzelnen Ebenen eingegangen wird soll vorher ber die zu verwendete Hardware geredet werden 8 1 2 Peripheriebauteile des Roboters Wie in Kapitel 7 erw hnt wird der Roboter mit dem MIT Board 6 270 verwirklicht Dabei muss die Anzahl der gew nschten Peripheriebauteile reduziert werden denn die Anschlussm g lichkeiten des MIT Board 6 270 sind nicht so ausgepr gt wie bei manch anderen Controller boards Deshalb werden nur die wichtigsten Bauteile installiert F r das omnidirectional Antriebssystem ben tigt der Roboter 3 gleichwertige Motoren Es werden 2 Ballsensoren auf einer drehbaren Plattform direkt in der Antriebsebene installiert so dass f r die drehbare Plattform ein Servo ben tigt wird Die Umgebungssensoren wer den mit 4 Sharp Sensoren ausgestattet die ber einen Verst rker siehe im Anhang direkt an das Controllerboard angeschlossen und im System drehbar
107. plom pdf PS 02 Patrick Schmider Einsatz einer omnidirektionalen Kamera im RoboCup 2002 URL www informatik uni stuttgart de ipvr bv lehre HS_robocup hs_ ss2002_schmider pdf RCMSL04 RoboCup MSL RoboCup2004 Middle Size League URL www er ams eng osaka u ac jp rc2004ms1 index cgi RCPor 04 Official Page Of RoboCup 2004 Portugal URL www robocup2004 pt RCSSL04 Brett Browing RoboCup Small Size Leage URL www 2 cs cmu edu brettb robocup SJL00 Elizabeth Sklar Jeffrey H Johnson Henrik Hautop Lund Children Learning From Team Robotics RoboCup Junior 2000 URL http demo cs brandeis edu papers rcj2000 pdf TR Thomas R fer Motorik URL www informatik uni bremen de roefer kr00 03 pdf Unimatrix Marc Siewert Marcus Fe ler Unimatrix Fachhochschule Fulda URL http unimatrix it spirit net Wien Institutes f r Handhabungsger te und Robotertechnik IHRT Technischen Univer sit t Wien TU Wien Roboterfu ball Homepage URL www roboterfussball at info frameset deu html Verweise auf Regeln der RoboCup Leagues RC EL04 Gaurav Singal RoboCup ELeague URL http agents cs columbia edu eleague RC HL04 RoboCup Technical Committee RoboCup 2004 Humanoid League URL www ais fraunhofer de robocup HL2004 rules html RC JD 04 RoboCup Technical Committee RoboCupJunior 2004 DANCE rules URL http satchmo cs columbia edu rcj rcj2004 dance rules html RC JR 04 RoboCup T
108. r N he des Sensors in der die Daten unbrauchbar sind Werden Messungen in diesem Bereich ben tigt muss doch auf die erste oder zweite Kategorie zur ckgegriffen werden Die maximale Reichweite variiert betr chtlich und betr gt bei Infrarotsensoren etwa 80 cm bei Ultraschallsensoren mehrere Meter und kann bei professionellen Laser Sensoren mehrere 100 m betragen In den folgenden Abschnitten werde Entfernungssensoren vorgestellt die evtl im Labor vorhanden oder kosteng nstig zu erhalten sind 3Die im Labor zur Verf gung stehenden Mikroschalter sind sogenannte Subminiatur Schalter DB5 der Fir ma Cherry Cherry Dieser Schalter hat eine maximale Schaltspannung von 250 V und sein maximaler Schaltstrom betr gt 1 A 7 5 1 1 Objekterkennung auf IR Basis Sharp 15471 Diese Art Sensoren SHARP geh ren in die zweite Kategorie der Entfernungssensoren denn sie liefern ein bin res Ausgangssignal je nachdem ob ein Objekt erkannt wurde oder nicht Uber die Entfernung des Hindernisses wird keine Angabe gemacht Der 18471 sendet ber eine anzuschlie ende IR LED moduliertes Infrarotlicht aus Befindet sich vor dem Sensor ein Objekt wird das Licht in den IS471 zur ck reflektiert Durch das modulierte Licht ist der IS471 recht unempfindlich gegen Fremdeinstrahlung Die Reichweite l sst sich ber die Abstrahlleistung der IR LED ver ndern und betr gt etwa 10 cm 7 5 1 2 Entfernungsmessung auf IR Basis GP2D1xx Abbildung 7 4 Sharp
109. r die tats chliche Entfernung eines Ob jektes Sensoren dieser Kategorie kommen in den meisten Anwendungen zum Einsatz denn sie sind flexibel einsetzbar und k nnen mitunter die Aufgaben der Sensoren der ersten bei den Kategorien bernehmen 3 6 4 Infrarot Sensor Infrarotn herungs Sensoren k nnen in ihrer unmittelbaren Umgebung lichtreflektierende Ob jekte erkennen Sie besitzen meist eine Sendediode die Licht im infraroten Spektrum aus sendet und eine Empf ngerdiode welche die Intensit t des reflektierten Lichts misst Eine Klassifizierung der Objekte ist allerdings schlecht m glich da der Sensor nur die N he eines Objekts ermittelt und keine Informationen ber dessen Beschaffenheit liefert 3 6 5 Ultraschall Sensor Ultraschall Sensoren auch Sonarsensoren genannt basieren auf dem selben Prinzip das auch von Fledermausen verwendet wird Ein kurzer hochfrequenter Schallimpuls wird aus gestoBen und dessen Reflexion an Objekten in der Umgebung Uber einen Empfanger aufge nommen Die Entfernung s kann man aus der Zeit t zwischen Aussenden und Empfangen des Impulses errechnen da die Schallgeschwindigkeit v bekannt und konstant ist Es gilt s v 5 Die Schallgeschwindigkeit v betr gt 3437 bei 20 C Lufttemperatur Sie steigt mit zuneh mender Temperatur an Bei 25 C ist v 3467 bei 0 C nur noch 3312 3 6 6 Laser Sensoren Sensoren auf Laserbasis existieren in diversen Ausf hrungen Grunds tzlich bestehen
110. ration NASA 2004 URL www nasa gov home NIST 04 National Institute of Standards and Technology URL www nist gov RC 04 The RoboCup Federation RoboCup Official Site URL www robocup org RCJ 04 RoboCup Technical Committee RoboCcup Junior Official Site URL http satchmo cs columbia edu rcj RCS4L04 RoboCup 2004 Sony Four Legged Robot League Lisbon Portugal URL www openr org robocup index html Servos ModellFlugKlub Pattensen Servos verschiedener Hersteller URL www mfk pattensen de servos htm SHARP SHARP Corporation URL http sharp world com index html SRF04 Devantech Ultraschall Modul SRFO4 URL www roboter teile de datasheets srf04 pdf URL www robot electronics co uk TR 02 Thomas R fer Motorik Universit t Bremen 2002 URL www informatik uni bremen de roefer kr00 03s pdf Werkstatt HAW Hamburg Zentrale Laborwerkstatt URL www haw hamburg de mp zw WR 70 W W Royce Managing the Development of Large Software Systems Procee dings of IEEE WESCON August 1970 WRPLO3 AV Interactive Wiltronics Research Pty Ltd 2003 URL www wiltronics com au Weitere Links AC 02 Adam Currie The History of Robotics University of California 2002 URL http cache ucr edu currie roboadam htm AG Alexander Gloye Projektgruppe RoboCup FU Berlin URL http robocup mi fu berlin de Anhalt Hochschule Anhalt FH RoboCup Ligen URL www et hs an
111. ray cards R 27 white face reflective ratio 90 2 We ship the device after the following adjustment Output switching distance L 24cm 3cm must be measured by the sensor 3 Distance measuring range of the optical sensor system 4 Output switching has a hysteresis width The distance specified by Vo should be the one with which the output L switches to the output H Fig 1 Internal Block Diagram Fig 2 Internal Block Diagram GP2D12 GP2D15 GND Vec 5V GND Vec 5V O O Signal processing circuit processing circuit Vo Analog output Oscillation circuit Output circuit Digital output Distance measuring IC Distance measuring IC Fig 3 Timing Chart Vec Power supply 38 3ms 9 6ms Distance E EECH i measuring Firstmeasurment e H measurment J een a ee Vo Cu Unstable output J 7 6ms 1 9ms P GP2D15 SHARP GP2D12 GP2D15 Fig 4 Distance Characteristics GP2D15 Output H Output V Output L Hystersis width Non detection 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Output switching point distance L 24 3cm Distance to reflective object L cm Fig 5 Analog Output Voltage vs Surface llluminance of Reflective Object Analog output voltage Vo V 3 0 2 8 GP2D12 Reflective object Light source equivalent to Kodak Co Ltd gt gray cards R 27 2 sun light reflective ratio 90 GP2D12 illuminance met
112. reich Kleinrobotik ben tigen eine Betriebsspannung von 5 V Zum Betreiben von Motoren und Servomotoren ist aber eine h here Spannung notwendig Deshalb haben alle Controllerboards einen passenden Spannungswandler integriert um die ben tige Span nung f r den Prozessor sowie f r Aktoren und Sensoren zu gew hrleisten Das MIT Board6 270 hat einen eigenen Anschluss f r die Versorgung des Prozessors und die Sensoren sowie einen zus tzlichen Anschluss f r die Motoren und den Servo blicher weise wird an den Prozessor und den Sensoren eine Spannung zwischen 5 5 V 6 V ange legt Die Motoren und der Servo erhalten eine Spannung von 6 V 7 2 V Auf dem Handyboard ist ein Spannungswandler vom Typ L78S05 integriert der die ange legte Akkuspannung auf die ben tigten 5 V herunterregelt Die Motoren werden direkt mit der anliegenden Akkuspannung betrieben Servomotoren arbeiten nur mit Spannungen von 4 8 V bis 6 V Auf dem Handyboard befinden sich 5 Dioden die zusammen die Akkuspan nung um ca 3 5 V verringen An jeder Diode fallen etwa 0 7 V ab Damit betr gt die maximal verwendbare Akkuspannung 9 6 V denn 9 6 V Versorgungsspannung minus 3 5 V Dioden spannung bleiben 6 1 V f r die Servos brig was gerade noch zul ssig ist 7 7 1 Hinweise zu Auswahl und Anschluss der Akkus Es gibt prinzipiell 4 Arten von Akkus NiCd Nickel Cadmium NiMH Nickel Metallhybrid Blei bzw Bleigel Akkus und Lithium lonen Akkus Empfehlenswert sind aussc
113. rieb 3 6 Sensorik Dieser Abschnitt behandelt die Grundlagen verschiedener Sensoren 3 6 1 Reflexkoppler Reflexkoppler erm glichen die Unterscheidung von verschiedenfarbigen Oberfl chen So ist zum Beispiel das Erkennen einer wei en Fl che auf schwarzem Untergrund problem los m glich Auch die Unterscheidung verschiedener anderer Farbkombinationen rot auf wei gr n auf rot usw kann mit geeigneten Reflexkopplern realisiert werden Reflexkoppler erkennen Unterschiede im Reflexionsverhalten verschiedenfarbiger Oberfl chen Wird eine farbige Fl che mit Licht bestrahlt so wird nur der Teil des einfallenden Lichtes reflektiert des sen Wellenl nge der Farbe der Oberfl che entspricht Eine gr ne Oberfl che reflektiert also nur gr nes Licht mit Wellenl ngen von etwa 550 nm F llt Licht anderer Wellenl ngen zum Beispiel rotes Licht mit 700 nm auf eine gr ne Fl che so wird nichts reflektiert Das rote Licht wird absorbiert Normales Umgebunggslicht sei es Sonnenlicht oder Licht von Lampen ist aus Licht vieler verschiedener Wellenl ngen zusammen gesetzt Durch die berlagerung der vielen einzelnen Spektralfarben erscheint es uns als wei Entsprechend reflektieren wei e Oberfl chen alles einfallende Licht egal welcher Wellenl nge Oberfl chen die uns dunkelgrau oder schwarz erscheinen reflektieren nur wenig oder gar kein Licht sondern absorbieren nahezu die gesamte einfallende Strahlung 3 6 2 Radencoder Sens
114. rschl ge zu verarbeiten und den Roboteraufbau auf diese Weise ber mehrere Versionen zu opti mieren 7 2 Designentscheidungen Um die im vorherigen Kapitel erarbeiteten Ziele erreichen zu k nnen sind eine Reihe von Designentscheidungen bez glich der Hardware Realisierung zu treffen Unter einer Desi gnentscheidung ist beispielsweise die Auswahl eines Controllerboards aus den momentan auf dem Markt befindlichen Modellen zu verstehen Diese Entscheidungen sind von Bedeu tung da sie Einfluss auf die sp teren F higkeiten des Systems und insbesondere auf die Erf llbarkeit der in vorherigen Kapiteln gesammelten Anforderungen an ein Roboterfu ball system haben Entscheidungen f r die eine oder andere Komponente begr nden sich unter anderem durch die Abw gung des Kosten Nutzenverh ltnisses und beinhalten zum Beispiel den Platzbedarf den Stromverbrauch die Kosten sowie die Verf gbarkeit der gew nsch ten Komponenten Im folgenden Abschnitt wird eine Auswahl verf gbarer und geeigneter Komponenten wie Controllerboard Sensoren und Aktoren diskutiert jedoch wird vorher die Spielfl che und die dazugeh rige Laborumgebung vorgestellt 7 3 Laborumgebung Das Labor welches sich im 11 Stock der HAW Hamburg im Raum 11 61 E W Dijkstra be findet beinhaltet eine gro e Auswahl an Material und Hilfsmitteln f r die Entwicklung eines Roboters In diesem Raum sind unter anderem Rechner f r die Programmierung der Roboter zu finden D
115. rvo Black ground Red 5 6 volt power Yellow pulse width modulated PWM signal ov L 5V on Period can be anywhere from 17 to 20 milliseconds PWM 1 5ms for 0 position 1ms for 1 extreme angle amp 2 ms for the other extreme Coy CIS ces wa macys mmm MOTOR R CASE SCREW X Mokatronix Ine 407 672 6720 Abbildung F 1 Servoschema von Mr Robot MrR G Inhalt der CD Rom Die CD ROM zu dieser Diplomarbeit enthalt diese Arbeit als Datei Diplomarbeit pdf AuBer dem findet man hier Dokumentationen Uber das Achsen und MIT Board sowie von einigen Sensoren diverse Bilder Videos und Konstruktionszeichnungen verschiedene Regel f r die einzelnen Disziplinen der beiden Initiativen RoboCup FIRA diverse Tools und das Pro gramm f r den Roboter Hier der Inhalt der Verzeichnisse im einzelnen Diplomarbeit Das Verzeichnis enth lt diese Diplomarbeit als Datei Diplomarbeit pdf Documentation Achsen Hier findet man das Benutzerhandbuch vom AKSEN Board als Datei handbuch paf und di verse Datenbl tter als PDF Dateien Documentation MIT In diesem Verzeichnis findet man The 6 270 Robot Builders Guide 6270 guide 92 pdf M68HC11E Family Technical Data M68hc11e pdf und Replacing 68HC11A Series MCUs with 68HC11E Series MCUs Eb193 pdf Documentation Seninf Datenbl tter ber den Reflexkoppler CNY70 CNY70 paf ber die Sharp Sensoren GP2D12 GP2D15 SharpGP2D12 15 pdf ber die Subminiatur Schalter S
116. s blichen Bauk sten wie z B LEGO MINDSTORMS LEGO gebaut Das Hauptziel dieses Projektes liegt in der Erziehung und Bildung von Kindern Dieses wird durch die Zusammenarbeit in Teams und das gemein same Entdecken interessanter Technologien reicht Auch die RoboCup Junior League ist in verschiedene Klassen aufgeteilt Abbildung 4 5 Roboter der RoboCup Junior Soccer League RC 04 4 1 7 1 RoboCup Junior Soccer Hier spielen autonome Roboter allein oder in Zweierteams gegeneinander Fu ball Das Feld hat beim Spiel 1 gegen 1 eine L nge von 1 19 m und eine Breite von 0 87 m Beim Spiel 2 gegen 2 ist die Spielfl che 1 83 m x 1 23 m gro Beide Spielfl chengr en haben einen Graustufenverlauf als Untergrund und sind mit einer Wand mit einer H he von 14 cm um geben Der 105 g leichte Ball ist ein Infrarot Leuchtball Roboball MK2 von der Firma Wil tronics und hat einen Durchmesser von ca 8 cm Der Durchmesser der Roboter darf bei einem Match 1 gegen 1 nicht mehr als 18 cm berschreiten jedoch beim Match 2 gegen 2 ist ein Durchmesser von bis zu 22 cm erlaubt Ein Spiel dauert 2x10 Minuten mit einer 5 Minutenpause zwischen den Spielh lften Regeln 2004 RC JS 04 4 1 7 2 RoboCup Junior Rescue In dieser League werden Opfer von Robotern aus k nstlichen Katastrophenszenarien geret tet Dabei gibt es verschiedene Schwierigkeitsstufen zu bew ltigen von einfache Linienver folgung auf flachem Untergrund bis zu j hrlich wech
117. sche Sensoren Mechanische Sensoren sind grunds tzlich tr ge und in ihren Abmessungen zu gro f r den Einsatz in kleinen mobilen Robotern Elektronische Sensoren sind kosteng nstig in Form von integrierten Schaltkreisen verf gbar die das Erd magnetfeld durch integrierte Spulen ermitteln 3 7 Echtzeitbedingungen Ein mobiler Roboter muss w hrend des Betriebs verschiedenste Teil Aufgaben erf llen Dazu geh rt vor allem die Wahrnehmung seiner Umwelt durch Sensoren die Auswertung der resultierenden Sensordaten die Steuerung und Regelung seiner Bewegungen und die Kommunikation mit anderen Robotern Je nach Art der Aufgabe k nnen die Ergebnisse von der Einhaltung gewisser Zeitbedingungen abh ngig sein Man unterscheidet e Harte Echtzeitbedingungen erfordern die garantierte Einhaltung vorgegebener Zeit bedingungen da bei Verletzung der Bedingungen eine Erf llung der Aufgabe nicht m glich ist Das hei t dass ein Roboter zum Beispiel seine Sensordaten st ndig ak tualisiert haben muss um sich seiner Umgebung anpassen zu k nnen und so gege benenfalls Kollisionen zu vermeiden e Weiche Echtzeitbedingungen erfordern lediglich die statistische Einhaltung vorgege bener Zeitbedingungen Eine zeitweilige Verletzung der Bedingung f hrt nicht direkt zu Fehlverhalten sondern nur zu einer verminderten Qualit t bei der L sung der Aufga be Hier ist mit gemeint dass ein Roboter zum Beispiel den Auftrag bekommt zu einer bestimmten Pos
118. selbstst ndig verfasst und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe Ort Datum Unterschrift des Studenten
119. selnden unebenen Gel ndeaufbauten wo die Robotern ihren Weg an Hindernissen vorbei suchen m ssen Die Roboter sind meis tens Konstruktionen aus LEGO MINDSTORMS Dennoch sieht man in den letzten Jahren auch verst rkt Robotersysteme die nicht aus den blichen Komponentenbauteile bestehen Regeln 2004 RC JR 04 4 1 7 3 RoboCup Junior Dance Bei dieser Veranstaltung sollen die Teams einen oder mehrere Roboter konstruieren die nach Musik durch eine nicht mehr als 2 Minuten andauernde Vorf hrung die Jury cleveres Design und Bewehgungsideen beeindrucken Regeln 2004 RC JD 04 Abbildung 4 6 Roboter der RoboCup Junior Dance League RC 04 4 1 8 RoboCup Rescue League Die Retter RoboCup Rescue welches seit 1992 im RoboCup durchgef hrt wird ist eine Simulations umgebung zur Entwicklung und Beurteilung von Rettungsstrategien bei gr eren Katastro phen Im Gegensatz zu interaktiven Spielen in denen die Aktivit ten von Agenten Avatare durch den User gesteuert werden ist RoboCup Rescue ein Spielszenario in dem Roboter autonom handeln Dazu gilt es Roboter zu implementieren die z B nach einem Erdbe ben als Ambulanz Feuerwehr und oder Polizeiteams in der Lage sind Zivilisten zu retten Br nde zu l schen und Stra en zu r umen Die Ziele dieser League ist es die Forschung und Entwicklung im Bereich des Katastrophenschutzes zu f rdern und autonome intelligen te Agentensysteme f r Katastrophenszenarios zu en
120. solche Sensoren zum Prel len das hei t anstatt einer klaren Impulsflanke werden mehrere schnell aufeinanderfolgen de Impulse erzeugt bevor sich das Signal stabilisiert Das Ausgangssignal muss also in der Regel noch gegl ttet bzw entprellt werden Dies kann in Hard oder Software geschehen Wird keine Entprellung vorgenommen sind die gemessenen Wegstrecken zu ungenau Abbildung 7 12 optischer Radencoder Photoreflektor Bei den optischen Encoder sind die Photoreflektoren recht gut f r die Wegmessung geeig net wobei der CNY70 siehe Abschnitt Reflexkoppler im Labor zur Verf gung steht oder recht g nstig zu erhalten ist Um diesen Sensor f r die Wegmessung in das System zu in tegrieren kann man zum Beispiel ein Hell Dunkel Muster auf der Radinnenseite anbringen Abbildung 7 12 wobei der Reflexkoppler von unten an die Radinnenseite schaut Man kann auch eine Lochscheibe verwenden die unmittelbar vor dem Sensor rotiert 7 5 4 Kompass Sensoren Die Integration eines Kompass Senors stellt eine u erst interessante M glichkeit dar die Richtungsbestimmung und damit die Orientierung des Roboters zu verbessern Ein Roboter mit Kompass Sensor w re in der Lage seine Ausrichtung autonom ohne globale Datenquel len zu bestimmen Ein geeigneter Sensor KMZ52 des Herstellers Philips KMZ52 erm glicht eine Ausrichtungsbestimmung mit einer Genauigkeit von unter 1 Es handelt sich dabei um einen analogen Sensor dessen Int
121. soren oder Infrarotempf nger sowie taktile Sensoren die z B aus Mikroschaltern bestehen Kameras sind in der Lage ihre Umgebung detailliert zu erfassen und gegebenenfalls vorgegebene Landmarken zu erkennen oder neue Merkma le als Landmarke zu definieren Falls Landmarken mit Infrarotleuchtfeuer ausgestattet sind kann sich der Roboter mit Hilfe von Infrarotsensoren orientieren Die Entfernungssensoren sind in der Lage ihre Umgebung mit Hilfe von Abstandsdaten zu interpretieren Diese Senso ren werden oftmals mit Hilfe von Radencodern siehe Kapitel 3 7 2 beim Aufbau der Karte unterst tzt 3 4 Antrieb Im Bereich der mobilen Roboter erfolgen Bewegungen meist nicht geradlinig und mit kon stanter Geschwindigkeit sondern sind durch haufiges Abbremsen Beschleunigen und An derungen der Richtung gepr gt Daher m ssen de Motoren des Roboters gen gend leis tungsstark sein um den Roboter m glichst schnell beschleunigen und abbremsen zu k n nen F r den Antrieb von mobilen Robotern werden Gleichstrommotoren verwendet wie sie auch im Modellbau eingesetzt werden F r ihre Ansteuerung werden Elektronikkomponenten eingesetzt die eine Motorsteuerung mit Hilfe der Pulsweitenmodulation erm glichen 3 4 1 Pulsweitenmodulation Es gibt in dem Bereich Modellbau zwei unterschiedliche Verfahren um eine Steuerung der Antriebsmotoren derart erm glichen dass eine Leistungsregelung der Motoren realisiert werden kann Diese Verfahren sind als mecha
122. stehenden Robotersysteme genauer betrachtet 6 1 Navigation Ein mobiler autonomer Roboter muss in der Lage sein innerhalb seiner Arbeitsumgebung eigenst ndig zu navigieren blicherweise besitzt ein solcher Roboter ein Weltmodell seiner Umgebung und kann seine Position und Ausrichtung innerhalb dieses Modells mit einer ge wissen Genauigkeit bestimmen Dies erm glicht ihm eine kontrollierte Bewegung so dass z B ein Anfahren bestimmter Zielpunkte m glich ist Positionsbestimmung Der Roboter ben tigt ein gutes Steuerungssystem um seine Position bestimmen zu k n nen Dabei darf bei der Positionsbestimmung die Diverenz zwischen Ist und Soll Position einen gewissen Wert nicht berschreiten Die Messung von Position und Ausrichtung muss ausreichend schnell erfolgen um bei der gew nschten Maximalgeschwindigkeit eine kontrol lierte Bewegung zu erm glichen Teilautonome Roboter erf llen diese Anforderung bei der Positionsbestimmung in gewisser Weise nicht und sind bei Steuerung oder Sensorik einge schr nkt und daher auf Unterst tzung von au en angewiesen Bewegung Der Roboter sollte sich mit vergleichbarer oder schnellerer Geschwindigkeit als die gegneri schen Roboter ber das Spielfeld bewegen k nnen Jedoch sollte die Geschwindigkeit nicht zu hoch sein da der Roboter sonst schlechter kontrolliert werden kann In Grenzbereichen setzen Schlupfeffekte ein welche durch die begrenzte Haftreibung der R der entstehen Je nach Bo
123. te Um den Roboter noch konkurrenzf higer f r die RoboCup Junior Soccer League zu gestalten ist es sinnvoll das Antriebssystem mit leistungsst rkeren Motoren und oder einer gr eren Untersetzung auszustatten Die Geschwindigkeit die diesem Prototyp zur Verf gung steht ist nicht ausreichend Es ist denkbar eine bessere Kontrolle des genauen Bewegungsverlaufes mit Hilfe von Radencoder zu erhalten um evtl Unterschiede bei den Motorenleistungen auszugleichen Weiterhin k nnte dar ber nachgedacht werden de Platt form mit leichteren Materialien zu konstruieren um die Motoren zu entlasten Zum Beispiel ist es sinnvoll die drei Gewindestangen die die Ebenen von einander trennen aus leichte rem Material zu fertigen und sie zu st ckeln damit man die Plattform evtl leichter auf bzw umbauen kann Die Sensoren drehbar zu halten ist zwar eine ganz interessante M glichkeit die Umgebung im Auge zu halten jedoch w re es interessant ber den Einsatz einer omnidirectional Ka mera nachzudenken Patrick Schmider Einsatz einer omnidirectional Kamera im RoboCup 2002 Diese Kamera ist senkrecht nach oben auf einen kegelf rmigen Spiegel ausgerichtet welche dadurch das komplette Spielfeld unter Kontrolle hat Um jedoch das Kamerabild aus zuwerten ben tigt der Roboter ein leistungsst rkeres Controllerboard als das was in der Diplomarbeit zur Verf gung stand Abbildung 8 20 Roboter mit omnidirektionaler Kamera Es ist
124. tes Signal a Abbildung 7 7 Kegelf rmige Reflexion bei Sonarsensoren a und Spiegelreflexion b Nachteilig ist dass sich der Schall nicht strahlf rmig ausbreitet wie IR Licht sondern ke gelformig siehe Abbildung 7 7 Je nach Ausbreitungswinkel des Sensors werden also auch Objekte erfasst die relativ weit auBerhalb der Mittelrichtung des Schallkegels liegen Die pra zise Position eines Hindernisses ist also nicht bekannt es kann sich Uberall innerhalb des Sonarkegels auf einem Kreisbogen mit Radius s befinden Ein weiteres Problem sind soge nannte Spiegelreflexionen siehe Abbildung 7 7 Dabei trifft der Ultraschallimpuls in einem zu flachen Winkel auf das Hindernis das Signal wird gar nicht mehr oder erst ber andere Hindernisse zum Sensor zur ck geworfen In beiden F llen ergibt sich ein ung ltiger oder falscher Messwert Bei der Verwendung mehrerer Sonarsensoren ist auch das Problem des bersprechens zu beachten Dabei nimmt ein Sensor das reflektierte Signal eines anderen Sensors auf und erh lt falsche Messergebnisse Als Beispiel f r einen Sonarsensor wird der SRFO4 der Firma Devantech SRF04 betracht siehe Abbildung 7 8 Der SRFO4 erkennt Objekte in 3 cm bis zu 3 Metern Entfernung Der Sensor besteht aus Sender und Empf nger sowie einer Auswerteelektronik SRFO4 Connections Abbildung 7 8 Frontansicht und Anschl sse des SRF04 SRF04 Neben Betriebsspannung 5V und Masse gibt es noch 2 weitere Anschl
125. tion sowie Aufgabenverteilung Torwart St rmer kommt 6 3 Rechenleistung Autonome mobile Roboter m ssen viele verschiedene Berechnungen f r z B Positionsana lyse ausf hren damit sie ihre Aufgaben erf llen k nnen Solche Aufgaben k nnen Priorit ts und Zeitvorgaben bez glich ihrer Ausf hrungsdauer und H ufigkeit beinhalten Des Weite ren sollte der Roboter eine Fehlerbehandlung haben um die Funktionsf higkeit des Robo ters auch im Fehlerfall einzelner Module zu gew hrleisten All diese Aufgaben ben tigen viel Rechenleistung und deshalb sollte das Ziel bei autonomen mobilen Robotern sein eine Be arbeitung von notwendigen und sinnvollen Aufgaben zu gew hrleisten und Mechanismen f r die koordinierte Bearbeitung dieser Aufgaben zu finden 6 4 Systemspezifische Ziele Im Folgenden werden weitere detaillierte Ziele gesammelt die f r den zu entwickelnden Fu ballroboter spezifisch sind und nicht den bisher angef hrten Kategorien zugeh ren 6 4 1 Regelkonformit t Wesentliche Eigenschaften des Roboters werden durch das Reglement der RoboCup Junior Soccer League vorgegeben wobei der Durchmesser und die H he nicht ber 22 cm hinaus gehen darf Wenn man sich entschlie t eine globale Kamera zum Einsatz zu bringen darf der Ball nur bis zu 30 vom Roboter verdeckt werden da der Ball ansonsten nicht mehr von der globalen Bildverarbeitung zu sehen w re 7 Hardware Auswahl Es ist ein komplexer Prozess eine Neuent
126. truiert werden und in dieser League haupts chlich Verwendung finden Weiterhin werden auch die Robotertypen vorgestellt die zu den blichen LEGO MINDSTORMS noch die tech nischen Erweiterungen beinhalten wie zum Beispiel den Lepomux f r den RCX oder die LEGO Konstruktionen mit dem MIT Board 6 270 MIT 04 Wenn man die Navigation der Robotertypen in Betracht zieht f llt auf dass fast alle Roboter konstruktionen etwas gemeinsam haben Sie beruhen auf dem Prinzip der Differentialsteue rung siehe Kapitel 3 5 1 Mit dieser Art Lenkung hat der Roboter durch eine geschickte Ansteuerung seiner R der die M glichkeit sich in jede Richtung zu drehen und das ge w nschte Ziel anzusteuern Bei der Positionsbestimmung der Roboter gibt es zwischen den verschiedenen Roboterty pen deutliche Unterschiede Die Roboterbauk sten haben wie schon beschrieben einen gro en Nachteil durch die geringen Anschlussm glichkeiten f r die Sensorik Deshalb sieht man in den offiziellen Roboterwettk mpfen oft Robotertypen die nur einen Lichtsensor f r die Bodenbeschaffenheit enthalten Die Roboter bekommen ihre Positionsbestimmung ber die Graustufenverteilung des Bodenbelags welche vom eigenen Tor zum gegnerischen Tor verl uft Die Robotertypen die einen Multiplexer oder das MIT Board 6 270 benutzten ha ben zus tzlich zu dem Bodensensor auch noch Umgebungssensoren Damit kann die n here Umgebung erfasst werden um W nde oder Hindernisse Gegen oder
127. twickeln Dabei m ssen die autonomen Roboter bei diesen Veranstaltungen der RoboCup Rescue League in einem eingest rzten Haus das mit Hindernissen wie z B zugesch tteten T ren Ger ll oder umgest rzten M beln ausgestattet ist Opfer finden ihre Situation Zust nde und Standorte den Teams mit Hilfe einer Karte bermitteln wobei die Opfer durch Puppen mit K rperw rme und mensch lichen Ger uschen dargestellt werden Die Szenarien die nach Referenztestarenen von der U S National Institute of Standards and Technology NIST NIST 04 f r st dtische Such und Rettungsoperationen entwickelt wurden sind in drei Schwierigkeitstufen aufgeteilt wo bei im leichten Szenario die Positionen der Opfer und die Umgebung detailliert bekannt ist bis zu einem unbekannten und mit zus tzlichen berraschungen best ckten Szenario Je des Team hat f r die Szenarien 20 Minuten Zeit um so viele Opfer wie m glich zu finden ohne weitere Opfer durch ungeschickte Navigation im Katastrophengebiet zu verursachen Auch in dieser League existiert neben der Liga f r reale Roboter eine reine Simulationsliga Hier haben die Teams die Aufgabe in einem virtuellen Katastrophenszenario z B einer si mulierten Erdbebensituation in einer Gro stadt Eins tze von Rettungskr ften in Echtzeit zu planen und zu koordinieren um m glichst effektiv verletzte Opfer zu bergen blockierte Stra Ben zu r umen und die Ausbreitung von Branden zu verhindern Regeln 20
128. ubminiatur Schalter pdf und ber das Ultraschall Modul SRFO4 von der Firma Devantech Ultraschall SRFO4 pdf sind hier zu fin den Pictures DiplomBilder Das Verzeichnis beinhaltet diverse Bilder PNG Format die in dieser Diplomarbeit Verwen dung finden Pictures KonstZeichnung AutoCAD Hier findet man detailierte Konstruktionszeichnungen die mit AutoCAD erstellt wurden Dabei sind Dateinen mit der Endung DWF und DWG sowie Abbildungen mit PNG zu finden Pictures KonstZeichnung Handzeichnungen In diesem Verzeichnis sind handgezeichnete Skizzen im PNG Format zu finden Pictures KonstZeichnung Visio Konstruktionszeichnungen und Abbildungen f r die Diplomarbeit erstellt mit VISIO sowie die dazu geh rigen PNG Bilder sind hier zu finden Pictures RoboterBilder Detaillierte Bilder PNG Format ber den Roboter bei der Konstruktionsphase sind hier zu finden Pictures Verschiedenes In diesem Verzeichnis sind einige Bilder PNG Format enthalten die in der Diplomarbeit keine Verwendung gefunden haben Pictures Video Das Verzeichnis beinhaltet 2 Videos die sich mit der RoboCup Junior Soccer League be sch ftigen RoboProgram Enth lt den Quellcode f r den Roboter Rules Fira Hier findet man von der FIRA Initiative offizielle erstellte Regeln der HuroSot KheperaSot MiroSot NaroSot RoboSot und SimuroSot Rules RoboCup In diesem Verzeichnis findet man von der RoboCup Initiative offizielle erstellte Regeln d
129. ung Schon September 1993 wurde die erste Software Soccer Server 0 LISP sp ter Version 1 0 C f r die Roboter erstellt Abbildung 1 1 Sojourner autonomes Robotersystem bei der Mars Mission 1997 NASA 04 1997 war dann der Wendepunkt in der Geschichte der Robotik und Agentensysteme denn im Mai diesen Jahres besiegte der IBM Gro rechner Deep Blue DB 97 den Schachwelt meister Kasparov am 4 Juli landete das erste autonome Robotersystem Sojourner siehe University of British Columbia Canada In diesem Forscherteam sind unter anderem Minoru Asada Yasuo Kuniyoshi und Hiroaki Kitano vertreten gewesen 3Itsuki Noda Professor Minoru Asada Professor Manuela Veloso Peter Stone Abbildung 1 1 der NASA NASA 04 auf dem Mars Pathfinder Mission und die ersten of fiziellen RoboCup Spiele fanden in Nagoya statt Bereits 1998 gab es allerdings dann zwei konkurrierende Initiativen die beide den Anspruch erhoben RoboterfuBball zu organisieren Der von Japan Dr Hiroaki Kitano Sony organisierte RoboCup und die von Korea Prof Jong Hwan Kim KAIST geleitete FIRA FIRA 04 Beide unterscheiden sich in den Gr en der Roboter und in den Spielregeln Aber unabh ngig von einander ist das Ziel 2050 die richtigen Fu ballweltmeister mit menschen hnlichen Robotern zu schlagen Diese Diplomarbeit ist in mehrere Kapiteln aufgeteilt die auf einander aufbauen Nach der im zweiten Kapitel angesprochenen Aufgabenstellung u
130. urch Man konzentrierte sich deshalb auf eine Zahnraduntersetzung Bei der Wahl der m glichen Untersetzungen wurde mehr Wert auf Kosten der Geschwindigkeit als auf Kraft bertragung gelegt Das Allseiten rad bekam ein kleines Zahlrad mit 16 Z hnen und der Motor ein gr eres Zahnrad mit 24 Z hnen Dies entspricht einem Untersetzungsverh ltnis von 1 1 5 Abbildung 8 3 Antriebsebene Dieses Antriebssystem mit drei omnidirectional Allseitenr der erlaubt dem Roboter viele verschiedene Richtungen direkt aus dem Stand anzufahren Dabei sind die wichtigsten Him melsrichtungen Norden Nordosten S dosten S den S dwesten und Nordwesten Dies liegt an der 120 Anordnung der Antriebsachsen Weitere Informationen ber die resultie renden m glichen Fahrtrichtungen erh lt man im Abschnitt 8 2 3 Nach der Installation des Antriebssystems montierte man auf der Platte eine weitere kleinere Zwischenplattform f r die Ballsensoren Diese Sensorenplattform wurde mit einer Elektrostange mit einem Durch messer von M13 in der Mitte der Antriebsplattform verbunden so dass sie sich auf der Ebene drehen kann siehe Skizze 8 4 Am beiden Enden der Zwischenplattform wurden die Ball sensoren angebracht und die Verbindungskabel in die Elektrostange eingef hrt so dass sich die Kabel bei der Drehung des Systems nicht aufwickeln Diese Anordnung der zwei Ballsensoren hat den Vorteil dass der Roboter durch die Drehung der Sensoren den Ball schnel
131. us dass der Programmierer die verschiedenen Bewe gungsm glichkeiten im Einzelnen kennt und sie entsprechend aufrufen kann Eine weitere M glichkeit ist es mit Hilfe von Formeln die Motorleistungen genau zu regeln um bestimmte Richtungen einzuschlagen siehe Abbildung 8 14 Richtungsvektoren F F 0 F 1 13 2 F 1 43 2 Konstanten Radius der R der r Abstand der R der vom Zentrum b Gew nschte Bewegung FO v lx yl w Formel gt O VF bw ir gt VF bw r gt VF bw r Abbildung 8 14 M glichkeit den Roboter mit Formeln zu steuern TR 02 Eine solche Bibliothek zu entwickeln bei der der Programmierer nur anzugeben braucht in welchem Winkel sich der Roboter bewegen soll ist aus konstruktionellen Gr nden nicht einfach zu verwirklichen Es erweist sich als problematisch dass die im Rahmen dieser Diplomarbeit verwendeten Motoren nicht die ben tigten verschiedenen Geschwindigkeits stufen umsetzten k nnen Falls die Motoren nur geringf gig voneinander unterschiedliche Leistungen aufweisen oder das Gewicht des Roboters nicht exakt ausbalanciert ist kann der Roboter zudem nicht die gew nschten Bewegungsrichtungen einhalten Dieses Manko k nnte man mit Hilfe von Radencodern zwar nicht beseitigen jedoch verbessern Aber da weder Platz noch Anschlussm glichkeiten f r die Radencoder vorhanden ist wird auf die speichersparende M glichkeit zur ckgegriffen und das Manko in
132. uteilen miteinander zu kommunizieren und autonom zu agieren Die einzelnen Spieler verfolgen gemeinsam ein konkretes Ziel m glichst hoch zu gewinnen Das Spiel findet in einem h chst dynamischen Umfeld statt Jeder Roboter muss seine Aufgabe zwischen festen Spielfeldbegrenzung und bewegten andere Roboter Ball Hindernissen ausf hren Es existieren mehrere Vereini gungen f r den Roboterfu ball die f r verschiedene Klassen Reglements festlegen und die Durchf hrung von Turnieren organisieren In diesem Abschnitt werden die beiden gr ten Initiativen n her vorgestellt Zum einen die RoboCup Initiative RC 04 an der sich weltweit ca 150 Universit ten und Forschungszentren beteiligen und die damit die gr te Vereini gung dieser Art ist zum anderen die FIRA Federation of International Robotsoccer Asso ciation FIRA 04 die sich f r die kleinsten teil bzw vollautonomen Roboter verantwortlich schreiben 4 1 RoboCup Die Robot World Cup Initiative kurz RoboCup ist eine internationale Initiative f r Forschung und Lehre Diese wurde 1993 zuerst unter dem Namen Robot J League von der Forscher gruppe Minoru Asada Yasuo Kuniyoshi und Hiroaki Kitano gegr ndet Neben der Organi sation und Durchf hrung von Wettk mpfen richtet RoboCup j hrlich Konferenzen aus und bietet educational programs f r die Lehre an Die Initiative gliedert sich in drei Bereiche Der gr te Bereich in dieser Initiative ist das Robo Cu
133. vorstellbar falls bei weiteren Arbeiten mit dieser Plattform die gen gend Platz f r neue Technologien bereitstellt mehr finanzielle Mittel zur Verf gung stehen nicht nur die Integra tion einer omnidirectional Kamera in Betracht zu ziehen sondern auch ein leistungsst rke res Controllerboard wie zum Beispiel ein Mini ITX oder Micro ITX einzusetzen Dadurch er geben sich neue M glichkeit bei der Programmierung Denn bisher war die Programmierung auf eine funktionsorientierte Programmiersprache begrenzt die nun durch eine objektorien tierte Sprache ersetzt werden k nnte Falls man sich weiterhin mit der bisherigen zur Verf gung stehenden Hardware besch ftigen m chte dann sollte der Leser einen Blick auf Kapitel 6 3 der Diplomarbeit von Mirco Gerling Gerling 2003 richten in dem man einige interessante Informationen erh lt wie man den Roboter mit Hilfe eines PDAs verbessern k nnte Zum Schluss sollte der Leser noch einen kurzen Ausblick bekommen was es f r M glichkei ten f r den Einsatz eines omnidirectional Antriebssystem au erhalb des Roboterfu balls gibt Es ist denkbar solche Antriebssysteme im Bereich der Lagerarbeiten einzusetzen denn solche Systeme sparen Zeit und Platz da keine Wendeaktionen durchgef hrt werden muss Weitere interessante Einsatzm glichkeiten liegen im Bereich der berwachung Denn durch eine symmetrische Plattform ist zum Beispiel ein berwachungsroboter in der Lage in jede noch so enge U
134. wicklung eines FuBballroboters zu entwickeln und die damit verbundene Auswahl der zu verwendenden Bauteile zum Beispiel Controller board Sensoren und Aktoren zu bestimmen Dies liegt unter anderem in den vielfalti gen Anforderungen an das Gesamtsystem denn hier spielen die verschiedenen Fahigkeiten und Anforderungen der einzelnen Bauteile sowie Platz und Stromversorgungsvorgaben der Elektronik eine gro e Rolle Weiterhin k nnen die Designentscheidungen f r oder gegen ein bestimmtes Bauteil nicht vom Rest des Designs unabh ngig betrachtet werden In diesen Kapitel wird die Methodik des Vorgehens w hrend der Entwurfsphase erl utert Anschlie end werden Designentscheidungen die daraus resultierenden Bauteile und ihre Einbindung in das Gesamtsystem im Detail diskutiert 7 1 Methodik Die Entwicklung des Fu ballroboters l uft in dieser Diplomarbeit in folgenden Schritten ab Dabei werden die Projektmodelle aus dem im Kapitel 3 8 mit ber cksichtigt e In der Beurteilungsphase auch Evaluierungsphase genannt werden Anforderun gen an die zu realisierenden Komponenten unter Ber cksichtigung der gew nschten Ziele und bisheriger Erfahrungen erarbeitet Die Rahmenbedingungen und die M g lichkeiten werden zusammengestellt und es wird eine Recherche nach m glichen Bau teilen Sensor und Aktorkomponenten durchgef hrt e In der Planungsphase wird die Verf gbarkeit der gew nschten Bauteile ermittelt Wenn es jedoch
135. ystem Studienarbeit 2003 URL http users informatik haw hamburg de kvl cordes diplom pdf 2004 DCGL04 Dietmar Cordes Gunther Lemm Entwicklung einer mikroprozessorbasierten Sensor Aktorerweiterung f r das LEGO Mindstorm System Diplomarbeit 2004 URL http users informatik haw hamburg de kvl cordes diplom pdf EW 99 Edwin Wise Applied Robotics Prompt Publications 1999 ISBN 0 7906 1184 8 eXtrP 02 Martin Lippert Stefan Roock Henning Wolf Software entwickeln mit eXtreme Programming dpunkt verlag Januar 2002 ISBN 3 89864 107 4 FIRA 04 FIRA Federation of International Robot soccer Association URL http FIFA ners GP2D12 SHARP GP2D12 GP2D15 URL www acroname com robotics parts SharpGP2D12 15 pdf Handy The Handy Board URL http handyboard com HP 04 Hewlett Packard 2004 URL www hp com InterC Newton Research Labs Interactive C URL www newtonlabs com ic Interroll Interroll Rollen Antriebe und Module f r die F rdertechnik URL www interroll de JJAF 96 Joseph L Jones Anita M Flynn Mobile Roboter Addison Wesley Bonn Ger many 1996 KC 20 Wikipedia the free encyclopedia Karel Capek URL http en wikipedia org wiki Karel_Capek Klemke 04 Gunter Klemke Hochschule fur Angew Wissenschaften Hamburg Fachbe reich Elektrotechnik Informatik URL http users informatik haw hamburg de gk KMZ52 Philips Semiconductors Electronic Compass D
136. zu keiner Bezugsm glichkeit der gew nschten Bauelemente kommt muss in einer wiederholten Evaluierungsphase nach Alternativen gesucht werden e Anschlie end sollte eine Konstruktionszeichnung des zu entwickelnden Roboters er stellt werden welches aus Ideen von Handzeichnungen und anschlie end mit einem CAD Programm verwirklicht wird e Anhand der erstellten Konstruktionszeichnungen wird im n chsten Schritt ein Proto typ des Roboters entwickelt e Nach einer Testphase der zu verwendeten elektronischen Bauteile werden sie in die Konstruktion integriert Diese Phase nennt man auch prototypische Implementierung welches auch den Test der einzelnen Komponenten des Roboters hinsichtlich ihrer grundlegenden Funktionsf higkeit erm glicht Dies gilt besonders f r die Hardwarean steuerung der einzelnen Sensoren und Aktoren Auf Grund dieses Vorgehens wird eine fr he Fehlererkennung sichergestellt und ein schritt weiser kontrollierter Aufbau des Roboters erm glicht Die abschlie ende Programmierung des Roboters erm glicht die Demonstration von ausgesuchten F higkeiten im Detail Trotz guter Planungen k nnen innerhalb der einzelnen Phasen Probleme auftreten die in fr heren Phasen nur schlecht oder gar nicht zu erkennen waren In diesem Fall kann ein Re Design notwendig werden um bestehende Probleme zu beheben Zus tzlich kann es auf Grund von Erfahrungen w hrend der Entwicklung sinnvoll sein Verbesserungsvo

Design und Realisierung einer experimentellen Plattform für

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