Design und Implementierung eines kettengetriebenen Roboters

Design und Implementierung
der Fahrdynamik eines
kettengetriebenen Roboters
Vortrag zur Diplomarbeit
Franz Alt
f.alt@gmx.net
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)