Kollisionsfreie Bahnplanung mit Rapidly exploring Random Trees (RRTs) bei mehreren Robotern

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Titel: Kollisionsfreie Bahnplanung mit Rapidly exploring Random Trees (RRTs) bei mehreren Robotern

Autor: Thomas Neuhauser

Format: PDF

Seitenzahl: 94 (Printausgabe)

Erscheinungsdatum: 07.2014

Beschreibung Kollisionsfreie Bahnplanung mit Rapidly exploring Random Trees (RRTs) bei mehreren Robotern

Kollisionsfreie Bahnplanung mit Rapidly exploring Random Trees (RRTs) bei mehreren Robotern. Inhaltsangabe:Einleitung: Überall werden in zunehmendem Maße Roboter zur Automatisierung verschiedenster Prozesse eingesetzt. Grundsätzlich führt ein Roboter Bewegungen aus, die ihm in einem Programm vorgegeben wurden, das entweder im Voraus entwickelt wurde, oder erst zur Laufzeit durch entsprechende Algorithmen aus Sensordaten generiert wird. Ein essentielles Merkmal solcher Bewegungsabläufe ist, daß diese kollisionsfrei sein müssen. Der Roboter muß Hindernissen in seiner Umgebung ausweichen, um weder sich, noch die Umgebung zu beschädigen. Der abgeschlossene Arbeitsbereich den man einem Roboter, z.B. in der automatisierten Produktion zuweist, wird möglichst klein gehalten, da diese Fläche Geld kostet. Somit ergibt sich, daß die Umgebung, in der sich der Roboter frei bewegen darf, so stark eingeschränkt ist, daß hier häufig die Gefahr der Kollision besteht. Heute findet zudem selten nur ein einzelner Roboter Anwendung, sondern es werden vielmehr mehrere Roboter eingesetzt, die gemeinsam an einem Werkstück arbeiten bzw. Aufgaben erledigen müssen. Somit verschärft sich das Problem der Kollisionsvermeidung zusätzlich, da nun jeder Roboter zusätzlich beweglichen Hindernissen ausweichen muß. Da dies für jeden der beteiligten Roboter gilt, ist die Bewegung dieser Hindernisse außerdem nicht vorhersagbar. Heutzutage werden meist noch Experten eingesetzt, die effiziente Methoden kennen, um solche kollisionsfreien Bewegungsabläufe von Hand zu implementieren. Mit zunehmender Komplexität der Umgebung, der Roboter und des Einsatzfeldes, sowie vor allen Dingen bei autonomen Robotern, wie z.B. Transportfahrzeugen in einem automatisierten Teilelager, ist es aber nicht mehr möglich, solche Bewegungsabläufe in akzeptabler Zeit und Qualität von Hand zu erzeugen. Folglich besteht ein großes Interesse an Algorithmen, die diese Aufgabe automatisiert lösen. Ziel ist es, kollisionsfreie Bewegungsabläufe für mehrere Roboter zu berechnen. Am konkreten Beispiel soll dies für eine Arbeitsumgebung mit 6-Achs-Robotern, sowie einige ausgewählte Problemsituationen, wie sie in einem Hochregallager mit mehreren Transportrobotern auftreten, untersucht werden. Es soll eine Anwendung entwickelt werden, die es ermöglicht kollisionsfreie Bewegungsabläufe für mehrere Roboter automatisch zu entwerfen. Diese Anwendung wird als Plugin für die Roboter-Simulationssoftware Easy-RobTM in C++ entwickelt. Easy-RobTM wird zur Visualisierung der Roboter, ihrer Umgebung sowie der errechneten Bewegungsabläufe genutzt. Zur Berechnung der Bewegungsabläufe sollen Rapidly exploring Random Trees – die ich im Folgenden mit RRT abkürzen werde – zum Einsatz kommen, sowie deren Vor- und Nachteile aufgezeigt werden. Neben der Einführung in das grundlegende Verfahren der Berechnung kollisionsfreier Bewegungsabläufe und einer Beschreibung des RRT-Algorithmus, soll die Übertragbarkeit auf Problemstellungen mit mehreren Robotern, die resultierenden Verfahren sowie mögliche Optimierungen derselben dokumentiert werden. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis: 1.Einleitung1 1.1Motivation1 1.2Zielsetzung1 1.3Aufgabenstellung1 2.Kollisionsfreie Bahnplanung für einen einzelnen Roboter2 2.1Der Konfigurationsraum2 2.1.1Vergleich der Bahnplanung bei 2 und mehr Freiheitsgraden2 2.1.2Der Konfigurationsraum als universelle Darstellung3 2.2Berechnen von Pfaden mit Graph-Suchalgorithmen5 2.2.1Aufbauen von Graphen im Cfree5 2.2.2Grenzen des Verfahrens6 2.3Der RRT-Algorithmus8 2.3.1Funktionsprinzip8 2.3.2Performance und Einschränkungen11 2.3.3Optimierungen12 2.3.3.1Variable Schrittweite12 2.3.3.2Fixierung von Achsen12 2.3.3.3Bidirektionale RRTs13 2.3.3.4Gierige Heuristik13 2.4RRT Plug-In für Easy-RobTM16 2.4.1Aufbau der Anwendung16 2.4.2Integration in Easy-RobTM mittels API17 3.Kollisionsfreie Bahnplanung für mehrere Roboter18 3.1Anwendungen18 3.2Gekoppeltes Planen im gemeinsamen Konfigurationsraum19 3.2.1Erweitern der Anwendung20 3.2.1.1Kollisionslisten20 3.2.1.2Anpassen der Datenstrukturen22 3.2.1.3Anpasse