Modellbasierte Regelung für rekonfigurierbare mobile Roboter

Im Rahmen dieses Projektes soll die Theorie wie auch die algorithmische Umsetzung einer modellbasierten Regelung für mobile Roboter mit mehreren lenkbaren Rädern erarbeitet werden. Ausgangsbasis dafür ist ein generisches Modell für mechatronische Roboterfahrwerke, welches die geometrische Anordnung der einzelnen Räder sowie das dynamische Verhalten der zugehörigen Aktuatoren für den nominellen Betrieb und für ausgewählte Fehlerzustände beschreibt. Das Regelungssystem verwendet dieses Modell und löst zwei Teil- Aufgaben mittels automatisierter Schlussfolgerung basierend auf theoretischer Kinematik, System-Analyse, Zustandsschätzung und Diagnose, sowie Regelungstheorie. Als erste Aufgabe wird der gegenwärtige Betriebs- bzw. Fehlerzustand für jede Antriebseinheit (Rad) mittels der Messwerte und der Modellprädiktionen für mögliche Zustandssequenzen geschätzt. Als zweite Aufgabe werden, aufbauend auf der Zustandsschätzung, die gegenwärtig wirksamen kinematischen Beschränkungen ermittelt und eine entsprechend koordinierte Regelung der einzelnen Antriebseinheiten berechnet, sodass die gewünschte Bewegung des mobilen Roboters erzielt wird. Durch die on- line Verwendung des Modelles wird eine Adaption der Fahrwerks-Regelung erreicht, welche Fehlerzustände, wie zum Beispiel ein Lenkausfall oder fehlende Traktion eines Rades, autonom berücksichtigt. Darüber hinaus ermöglicht dieser modell-basierte Ansatz neuartige Roboter-Fahrwerkskonzepte mit dynamisch veränderlichen Fahrwerksgeometrien.

Das Fahrwerk eines mobilen Radroboters wird üblicherweise entsprechend den spezifischen Transport- oder Mobilitätsanforderung aufgebaut. Dies führt zu einer Vielzahl von unterschiedlichsten Fahrwerken, für deren Betrieb ein eigens entwickelter Fahrwerksregler erforderlich ist. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein alternativer Ansatz zur Regelung von Roboterfahrwerken auf Basis eines generischen, modellbasierten Reglers für verschiedenste Roboterfahrwerke erarbeitet. Dieser analysiert das Roboterfahrwerk bezüglich seiner Mobilitätscharakteristika und leitet, zur Laufzeit des Reglers, automatisiert eine geeignete Steuerungsstrategie ab. Grundlage für diese Funktionalität ist ein Fahrwerksmodell, welches die Fahrwerksgeometrie und -funktionalität (gelenkte und starre Standardräder, omnidirektionale Räder, etc.), sowie den jeweils gültigen Betriebs- bzw. Fehlerzustand der Fahrwerkskomponenten abbildet. Auf diese Weise erhalten wir einen breit anwendbaren robusten Fahrwerksregler, welcher Änderungen im Fahrwerk zur Laufzeit berücksichtigt und damit auch Fehler entsprechend der sich bietenden Möglichkeiten kompensiert. Zu diesem Zweck wurden folgende Basiskomponenten für den modellbasierten Fahrwerksregler entwickelt: (a) Eine Einheit zur Zustandsschätzung und Diagnose, welche den jeweils gültigen Betriebs- / bzw. Fehlerzustand der einzelnen Komponenten bestimmt und (b) eine Kinematics-Reasoning Einheit zur Analyse der Mobilitätseigenschaften eines Roboterfahrwerkes und zur Bestimmung der jeweils notwendigen Steuerungsstrategie. Darüber hinaus wurde ein innovatives, und mittlerweile patentiertes, modulares Robotersystem auf Basis von Fahrwerksmodulen in Form von 6-eckigen (wabenförmigen) Prismen entwickelt. Dieses Baukastensystem ermöglicht den Aufbau einer Vielzahl von unterschiedlichsten Roboterfahrwerken und (im Betrieb) rekonfigurierbarer Roboter. Des Weiteren bildet es eine ideale Plattform, um die entwickelten Methoden auf einem realen System zu demonstrieren und zu verifizieren. Ziel dieses Projektes war es, die Möglichkeiten bezüglich Fahrwerksgeometrie und -funktionalität sehr allgemein zu fassen. Aus diesem Grund kann der erarbeitete Regelungsansatz neben nahezu allen möglichen Fahrwerksformen auch sich während des Betriebes verändernde Roboter und vor allem auch mehrere, koordiniert operierende Roboter direkt handhaben. Dies eröffnet neue Lösungsmöglichkeiten für fahrerlose Transportsysteme in der industriellen Fertigung und vor allem auch für den Objekttransport durch mehrere, koordiniert operierende Transportsysteme.