Design und Implementierung eines kettengetriebenen Roboters
Werbung
Design und Implementierung der Fahrdynamik eines kettengetriebenen Roboters Vortrag zur Diplomarbeit Franz Alt [email protected] Ziele der Diplomarbeit Simulation der Fahrdynamik des Bombenentschärfungsroboters tEODor unter Zuhilfenahme der Physiksimulationssoftware VORTEX Entwicklung neuer Fahrmodellansätze Beispielhafte Implementierung eines Fahrmodellansatzes Entwicklung einfacher Bewertungsschemata und Vergleich des beispielhaft Implementierten Modells und des in der Simulation existierenden Modells Präsentationsüberblick Der tEODor Roboter Grundlagen der Fahrmechanik von Kettenfahrzeugen Grundlagen von Physiksimulationen Entwickelte Fahrmodellansätze Bewertungsschemata für Fahrmodelle Softwaretechnische Realisierung Der tEODor (telerob Explosive Ordnance Disposal and observation robot) Roboter Gewicht: 360 kg Länge: 130 cm Breite: 68 cm Höhe: 110 cm Maximale Geschwindigkeit: 50 Meter/Minute (= 3 km/h) Der tEODor (telerob Explosive Ordnance Disposal and observation robot) Roboter Der tEODor (telerob Explosive Ordnance Disposal and observation robot) Roboter Antrieb über zwei Metallketten mit Gummibandagierung Reichweite Greifarm: 2.8 Meter Maximale Hebekraft am Greifarm: 100 kg Greifarmschließkraft: 600 N Der tEODor (telerob Explosive Ordnance Disposal and observation robot) Roboter Werkzeugmagazin Zündausdrehgeräte Röntgensysteme Schießbolzengeräte Bohrmaschine KFZ-Abschleppvorrichtung … Anbau von ausfahrbarem Kameramast möglich Anbau von SchussSystemen möglich Der tEODor (telerob Explosive Ordnance Disposal and observation robot) Roboter Steuerung über eine Steuerkonsole Übertragung der Steuereingaben durch eine Kabelverbindung 2 Sticks zur Steuerung der Kettenlaufwerke und des ausgewählten Gelenks Der tEODor (telerob Explosive Ordnance Disposal and observation robot) Roboter Grundlagen der Fahrmechanik von Kettenfahrzeugen Kettenlaufwerke - Arten Als AlsLaufwerk Laufwerkwerden werdendiejenigen diejenigenBauteile Bauteileeines eines Kettenfahrzeugs Kettenfahrzeugsbezeichnet, bezeichnet,welche welchefür fürdie dieÜbertragung Übertragung der derMotorkraft Motorkraftund unddie dieFederung Federungbzw. bzw.Dämpfung Dämpfungdes des Fahrzeugs Fahrzeugsverantwortlich verantwortlichsind. sind. Kettenlaufwerke - Aufbau Kettenlaufwerke - Aufgaben Übertragung von Längskräften auf den Boden Antriebs- und Bremskräfte Widerstände wirken diesen Kräften entgegen Übertragung von Seitenkräften Seitenführungskraft bei der Kurvenfahrt (zu große Rutschbewegungen sollen vermieden werden) Beispiel Quergeneigte Fahrbahn: Seitliches Abrutschen soll durch die Konstruktion der Kette vermieden werden Kettenlaufwerke - Aufgaben Aufnahme von Hochkräften Abfederung und Dämpfung des Aufbaus aufgrund von Fahrbahnunebenheiten Aufnahme von Drehkräften Mechanisches Problem hauptsächlich bei der Kurvenfahrt (Entgleisen, Materialbruch) Wird hier nicht weiter behandelt, kann jedoch für eine Trainigssimulation verwendet werden Kettenlaufwerke – Widerstände Innere Laufwerkswiderstände Triebradreibung Gelenkreibungswiderstand Innerer Rollwiderstand Äußere Widerstände Bugwiderstand Steigungswiderstand Luftwiderstand Kurvenfahrt Richtungsänderung erzeugt durch unterschiedliche Kettengeschwindigkeiten Kurvenfahrt - Alternative Richtungsänderung initiiert durch hydraulische Lenkung Beispiel: Hagglunds Grundlagen von Physiksimulationen Begriffsdefinitionen - Simulation Offline Simulation Berechnung von Vorgängen mit möglichst aufwendigen Rechenmodellen Sehr komplexe Simulation bzgl. Rechenzeit und Rechenkapazität Interaktive Simulation Möglichst schnelle Berechnungszeit von Interesse Somit: geringere Komplexität der Rechenmodelle Mensch als interaktive Komponente im Vordergrund Echtzeitsimulation Ähnlich der interaktiven Simulation jedoch mit garantierten Rechenzeiten Begriffsdefinitionen - Simulation Physik PhysikSDK‘s SDK‘s(Software (SoftwareDevelopment DevelopmentKits) Kits)sind sind Vertreter Vertreterder derinteraktiven interaktivenSimulation Simulationund undnicht nicht der derEchtzeitsimulation! Echtzeitsimulation! Eigenschaften von Physik SDK‘s Simulation einfacher Festkörper Simulation komplexer mechanischer Systeme (Fahrzeuge, Hydraulik, etc.) Simulation von Reibung (meist Coulomb) Baukastenprinzip (Plug-and-Play) Integrierte Kollisionserkennung Meist Singlethreading-Architektur Körperverbindungen Beispiele komplexer Systeme Bewegungssimulation Kraft Beschleunigung = Masse Bewegungssimulation Kraft Beschleunigung = Masse Gesetz Gesetzvon vonNewton Newtonwird wirdnur nurbei beider derkontaktlosen kontaktlosen Bewegung Bewegungvon voneinzelnen einzelnenKörpern Körpernverwendet. verwendet. Bewegungssimulation Bewegungssimulation von in Kontakt befindlichen Körpern über die Bildung von Kontaktclustern Kontaktcluster wird als ein ganzes Objekt betrachtet dessen Bewegung berechnet wird Bewegungssimulation Problemsituationen Ursachen Zu große Zeitschritte durch zu aufwendige Berechnungen oder eine zu aufwendige Modellierung Einwirkung von großen Kräften auf Körpern Modellierung von Objekten mit sehr schweren und sehr leichten Körpern Hohe Reibung zwischen Körpern Auswirkungen Instabiles System („Explosion“ oder „Zusammenfallen“ des modellierten Systems) Problemsituationen Explosion Zusammenfallen Entwickelte Fahrmodellansätze (Auszug) Fahrmodellansätze unter ausschließlicher Verwendung geometrischer Primitive Vorbemerkungen Ein EinModell Modelldefiniert definiertein einphysikalisches physikalischesoder oder formales formalesSystem, System,welches welchesdas dasbetrachtete betrachteteSystem System mit mitmehr mehroder oderminder mindergroßem großemAbstraktionsgrad Abstraktionsgrad darstellt darstelltund unddessen dessencharakteristisches charakteristischesVerhalten Verhalten zu zustudieren studierengestattet. gestattet. Sämtliche SämtlicheRollen Rollenwerden werdendurch durch Verbindungen, Verbindungen,ähnlich ähnlichwie wieStoßdämpfer Stoßdämpfer beim beimPKW, PKW,an anden denRumpf Rumpfarretiert. arretiert. Vorbemerkungen Kollisionserkennung Kollisionserkennungbeansprucht beanspruchtrelativ relativ wenig wenigRechenzeit Rechenzeit Dynamikberechnung Dynamikberechnungausschlaggebender ausschlaggebender Faktor Faktorfür fürden denBerechnungsaufwand Berechnungsaufwand! ! Vorhandenes Fahrmodell Komplettes Kettenlaufwerk nachgebildet durch einen starren Körper Antrieb durch Kräfteerzeugung an den Kontaktstellen zur Umgebung Vorteil: Geringer Rechenaufwand Nachteil: kein charakteristisches Federungsverhalten Fahrmodellansatz 1 Idee: Ersetzung der einzelnen realen Rollen durch Stoßdämpfer ähnliche Systeme (Punkt-Masse-Systeme (PMS) / Feder-Dämpfer-Systeme) Vorteile: Einfache Modellierung und moderater Performancebelastung Nachteile: Lücken zwischen den einzelnen Rollen führen unter Umständen zu Aufschaukelbewegungen, da keine Kette vorhanden ist Fahrmodellansatz 2 Idee: Verzicht auf einzelne Rollen und Anbringung vieler kleiner PMS Vorteile: Einfache Modellierung Nachteile: Extrem schlechte Performance (0-3 Bilder/Sekunde – 2.4 GHz) Fahrmodellansatz 3 Idee: Rollen wie bei Ansatz 1 und zusätzliche Anbringung von Rechtecksplatten zur Nachbildung einer Kette Nachteile: Schlechte Performance durch zu aufwendige Dynamikberechnung Zu große Komplexität des Ansatzes durch zu viele Körperverbindungen Fahrmodellansatz 4 Idee: Rollen wie bei Ansatz 1 und Anbringung neuer, gleich großer Rollen zwischen den vorhandenen Vorteile: Keine Lücken mehr zwischen den einzelnen Rollen Einfache Modellierung Nachteile: Fast doppelt so hoher Berechnungsaufwand wie bei Ansatz 1 Fahrmodellansatz 5 Idee: Visualisierung der realen Rollen Bewegungssimulation anhand weniger sehr großer einzelner Rollen Vorteile: Gute Performance (im Beispiel halb so viele Rollen !) Nachteile: Unter Umständen kann der Betrug sehr weniger Rollen, etwa bei Treppenüberfahrten, auffallen Sehr wenige und große Rollen können bei flachen Robotern zu Problemen führen (Raumproblem) Entwickelte Fahrmodellansätze (Auszug) Fahrmodellansatz unter Berücksichtigung eines Kettenmodells Fahrmodellansatz mit Kettenmodell Voraussetzung: Fahrmodellansatz 1 als Grundlage Idee: Einführung einer virtuellen Kette welche das Fahrzeug bei der Überfahrt von Unebenheiten anhebt Fahrmodellansatz mit Kettenmodell Realisierung: Zwischen zwei Rollen werden Kollisionserkennende Sensoren angebracht In Abhängigkeit wie aktivierte Sensoren existieren wird die Kettenlänge berechnet und das Fahrzeug an den entsprechenden Rollen angehoben Kettenmodell - Praxisbeispiele Kettenmodell - Praxisbeispiele Bewertungsschemata zum Vergleich von Fahrmodellen Bewertungsschemata Typische Fahrzustände des tEODor Roboters Fahrt auf ebener Fläche mit festem Untergrund Fahrt auf einer Rampe Fahrt auf einer Treppe Durchgeführte Analysen Rechenzeitvergleich Treuetests Rutschtests Überfahrttests Rechenzeitvergleich (fps) 80 70 60 50 Modell 1 Modell 2 40 30 20 10 0 Testszenario Flughafenszenario Treuetests 1 10.99 Theoretisch Modell 1 Modell 2 0.9 10.98 0.8 10.975 0.7 10.97 0.6 Y-Achse Weg/Sekunde Modell 1 Modell 2/3 10.985 0.5 0.4 10.965 10.96 10.955 0.3 10.95 0.2 10.945 0.1 10.94 0 10.935 10 20 30 40 50 60 70 80 Prozent der Hoechstgeschwindigkeit 90 100 -6 -4 -2 0 X-Achse 2 4 6 Rutschtest 0.006 0,00035 0,0003 0,00025 0,0002 0,00015 0,0001 0,00005 0 Modell alt Modell neu Geschwindigkeit km/h 0.004 0.002 0 -0.002 -0.004 -0.006 -0.008 -0.01 5° 10° 18° 3.6 3.8 4 4.2 4.4 X-Achse 4.6 4.8 5 Rutschgeschwindigkeit Rutschgeschwindigkeitauf auf18° 18°Rampe Rampe~0.03 ~0.03km/h km/hbei beialtem altemFahrmodell Fahrmodell!!! !!! Überfahrt einer halbzylindrischen Bodenunebenheit bei 1 km/h 0,00045 0,0004 0,00035 0,0003 0,00025 0,0002 0,00015 0,0001 0,00005 0 Modell 1 Modell 2 Modell 3 Fahrzeugrumpf Greifarm 0.25 0.25 0.245 0.2 0.24 0.15 Z-Position Z-Position Überfahrt einer halbzylindrischen Bodenunebenheit bei 1 km/h 0.235 0.1 0.23 0.05 0.225 0 0.22 -0.05 4 4.5 5 5.5 6 Zeit (Sekunden) 6.5 7 Z-Position Fahrzeugrumpf Umlaufrolle Laufrolle 1 Laufrolle 2 Laufrolle 3 Laufrolle 4 Triebrad 2.4 2.6 2.8 3 3.2 Zeit (Sekunden) 3.4 3.6 Softwaretechnische Realisierung Klassenübersicht Klassenerzeugung Zusammenfassung Physik SDK‘s unterstützen eine schnelle und realitätsnahe Modellierung bzw. Simulation technischer Systeme Aufwendigere Fahrmodelle durch hardwareunterstützte Physikberechnung zu realisieren (Grafikkarte, PhysX) oder eigene CPU für Berechnungen PhysX Prozessor (Ageia) Etwa 25% der Rechenleistung wird bei modernen Computerspielen für sämtliche Physikberechnungen verwendet Physics Processing Unit (PPU) speziell entwickelt um hochparallele Berechnung physikalischer Effekte möglich in Echtzeit zu rechnen Festkörperdynamik / Weichkörperdynamik Finite Elemente Analyse Flüssigkeitsdynamik … PhysX Prozessor (Ageia) Noch Fragen ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Backup-Folien Kettenlaufwerke - Aufbau Beispiel: Leopard 2 Kampfpanzer Kettenlaufwerke – Innere Laufwerkswiderstände Arten von Widerständen: Triebradreibung Reibung hervorgerufen durch Eingreifen der Kette am Triebrad und der dadurch erzeugten Kräfte Spurreibungswiderstand Reibung zwischen den Kettenführungsteilen (Laufrolle, Stützrollen, Umlenkrolle, Triebrädern) sowohl bei Geradeausfahrt als auch bei der Kurvenfahrt Gelenkreibungswiderstand Widerstand hervorgerufen durch Abwinkeln der Kettenglieder gegeneinander an hinteren und vorderen Laufrollen, Umlenkrollen und Triebrädern bei überfahrt von Bodenunebenheiten Kettenlaufwerke – Innere Laufwerkswiderstände Arten von Widerständen (Fortsetzung): Stoßwiderstand Entsteht beim Überrollen der Kettengelenke durch Lauf-, Stütz- und Umlenkrollen abhängig von der Gummibandagierung der Rollen und der Kette Innerer Rollwiderstand Widerstand durch Reibung innerhalb der Radlage Kettenlaufwerke – Widerstände Berechnung innere Laufwerkswiderstände Nach W. Merhof Widerstand in einer Größenordnung von 3 bis 8% vom Fahrzeuggewicht Nach J.Y. Wong / M.F. Bekker Schwere Fahrzeuge: Fahrzeuggewicht * (222 + 3 * Geschwindigkeit) Leichte Fahrzeuge: Fahrzeuggewicht * (133 + 2.5 * Geschwindigkeit) Kettenlaufwerke – Innere Laufwerkswiderstände Vergleich der Formeln von Merhof und Wong/Bekker: 150 100 Merhof (500 kg) Wong/Bekker (500 kg) 50 0 5 km/h 10 km/h 15 km/h 20 km/h 25 km/h 30 km/h 4000 3000 2000 1000 0 Merhof (10 T) Wong/Bekker (10 T) 5 km/h 10 km/h 15 km/h 20 km/h 25 km/h 30 km/h Kettenlaufwerke – Äußere Fahrwiderstände Arten von Widerständen: Bugwiderstand Entsteht an der Vorderseite des Fahrzeugs beim Einsinken Größter Einzelfahrwiderstand Steigungswiderstand Luftwiderstand Zu vernachlässigen bei Geländefahrt (v < 30 km/h) Anhängerwiderstand Beschleunigungswiderstand Rollwiderstand Summe der Fahrwiderstände in der Ebene Nach Mehrhof auf festem Untergrund 3 – 6% vom Fahrzeuggewicht Kraftfluss Motor-Fahrbahn Überfahrt einer halbzylindrischen Bodenunebenheit bei 2 km/h 0,0025 0,002 0,0015 Modell 1 Modell 2 Modell 3 0,001 0,0005 0 Fahrzeugrumpf Greifarm Überfahrt einer halbzylindrischen Bodenunebenheit bei 1 und 2 km/h 0,0025 0,002 Modell Modell Modell Modell Modell Modell 0,0015 0,001 0,0005 0 Fahrzeugrumpf Greifarm 1 (1 km/h) 1 (2 km/h) 2 (1 km/h) 2 (2 km/h) 3 (1 km/h) 3 (2 km/h)
