Robotics Basics Experiment Based on LabVIEW Robotics

1. Robotics Basics Experiment Based on LabVIEW Robotics Nir Malka Jan 11 Instructor: Koby Kohai

2. תוכן המצגת • מטרת הפרוייקט • למה ולמה לא LabVIEW ? • מטרת הניסוי • מבנה הניסוי • סקירה של תכונות הרובוט עליו מבוסס הניסוי • סקירה כללית של הניסוי עצמו • מקורות • סיכום

3. מטרת הפרוייקט • הכנת ניסוי מעבדה המבוסס על LabVIEW Robotics ועל ערכת הרובוט Starter-Kit, בו ילמדו הסטודנטים כמה עקרונות בסיס מעולם הרובוטיקה ויתרגלו אותם.

4. למה LabVIEW? • עולם הרובוטיקה עובר ל-LabVIEW • מספקת סביבת מימוש אינטואטיבית לשליטה בסנסורים שונים, מנועים, אלגוריתמי ניווט וחיפוש ותקשורת. • סביבת Debug נוחה. • תמיכה טכנית ייעודית למספר רב של דרייברים וסביבות עבודה של רובוטיקה. • שפה "מהירה" לבניית יישומים. מהירה בקירוב פי4-10 מכל שפה אחרת.

5. למה לא LabVIEW? • מצריכה לימוד מוקדם של השפה ועקרונות הבסיס שלה על מנת לעשות בה שימוש מתקדם. • סביבה סגורה על אף התמיכה בשפות אחרות כמו C, MATLAB, VHDL וכו'. • לא חינמית.

6. הניסוי: המטרה • הכרת העקרונות הבסיסיים של הרובוטיקה, Sense;Think;Act לסטודנט שזו היתקלותו הראשונה עם עולם הרובוטים. • מתן דגש על עקרונות בסיס כגון קואורדינאטות פולאריות, חישה אולטרא סונית, תנועה דיפרנציאלית ואלגוריתמי חיפוש וניווט כגון VFH, A*. • הכרה ראשונית והתנסות בכתיבת קוד בסיסי בשפת LabVIEW. • הסטודנט יקבל תחושה לגבי מושגים בסיסיים אלו באמצעות GUI גרפי בשפת LABVIEW, בו ממומשים עזרים שונים שמביאים לידי ביטוי את העקרונות שפורטו מעלה. • הניסוי מבוסס על רובוט LabVIEW Robotics Starter Kit, רובוט בעל הנעה דיפרנציאלית וחיישן אולטרא סוני.

7. מבנה הניסוי • דוח מכין אותו יכינו הסטודנטים מבעוד מועד. • חלק העוסק ב- Sense • חלק העוסק ב – Drive • חלק העוסק ב – Think • משך הניסוי כ- 4 שעות

8. LabVIEW Robotics Starter Kit • חיישן אולטרא סוני • הנעה דיפרנציאלית • רכיב מיתכנט המאפשר לצרוב עליו קטע קוד שירוץ ב- REAL-TIME • כרטיס sbRIO-9631 • סוללות המספיקות לזמן פעולה של כ-4 שעות מאומצות. • נשלט באמצעות LAN, יכול לתקשר גם באמצעות RS232 • אמין יחסית, התקלקל פעם אחת במהלך העבודה עימוהוחלף באחר (בעייה ברכיב ה-( Sabertooth • ישנה תמיכה טובה של ערן מ-NI. • מחיר כ-2400$ לערכה (מבוסס על אתר NI )

9. פלטפורמת הניסוי • הניסוי מועבר בשילוב GUI שתוכנן להדגים בצורה מוחשית ככל האפשר את העקרונות השונים, ולאפשר התנסות של ממש בנהיגת הרובוט והפעלת החיישן, תוך התבססות על התיאוריה שנלמדת תוך כדי הניסוי.

10. SENSE • הכרת החיישן האולטרא סוני: עקרון פעולה, שימושים אפשריים, שגיאות, פרמטרים שונים והשפעתם על אופן פעולת החיישן. • הכרת המונח קואורדינאטות פולאריות, עבודה עם מפה פולארית והשימוש בה ליישומים רובוטיים. • בניית יישום ב-LABVIEW השולט בסנסור שעל הרובוט ומציג בסוף גרף של הקריאה על פני הזמן.

11. Sense • הכרת המונח מודל הסתברותי של החיישן העוזר לנו להתמודד עם שגיאותיו ורזולוציית הדיוק המוגבלת שלו ותרגול מענה על שאלות תיאורטיות בנושא זה. • הכרת המונח VFH(vector field histogram), קריאת מאמר העוסק בנושא, הדגמת פעולת השיטה ב-GUI תוך שינוי פרמטרים שונים שמשפיעים על התוצאה, תרגול שאלות תיאורטיות בנושא.

12. Drive • הכרה ולימוד משוואות תנועה דיפרנציאליות. • הכרת הנתונים של מנועי הרובוט, ופרמטרים שונים של מבנהו הפיסי שמשפיעים על תנועתו. • הזנת ערכים מתאימים ל GUI כך שמבנה הרובוט יוגדר כראוי מבחינת משוואות התנועה. • התנסות בהפעלת מנועי הרובוט על ידי ה GUI שמספק שליטה מלאה על המנועים בזמן אמת. • ניהוג הרובוט באופנים שונים תוך חישוב הערכים המתאימים )set points) למנועים כך שישלים את תנועתו כנדרש בניסוי.

13. Drive • העברת הרובוט בתוך מבוך שייבנו הסטודנטים על פי ההנחיות המפורטות בספר הניסוי. חלק זה דורש יישום מה שהם למדו על משוואות התנועה ונתוני הרובוט, תוך תיקון הפרמטרים בהתאם למתבצע בשטח.

14. Think • מיזוג בין sense ו- Drive כך שהרובוט יעבור במבוך תוך כדי פעולת החיישן מבלי שתגובת העצירה תופעל • הכירות עם אלגוריתם A* ומתן מענה לשאלות תיאורטיות בנושא זה. • הרצת קוד התחמקות ממכשולים ובחינת התנהגות הרובוט עם המפגש בחפצים. מתן מענה לשאלות בנושא.

15. מקורות: • Scanning and mapping http://www.education.rec.ri.cmu.edu/previews/nxt_products/robotics_eng_vol_2/preview/content/scanmap/index.htm • Overview of the LabVIEW Robotics Module http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/11564#toc6 • A LabVIEW Based Experimental Platform for Ultrasonic Range Measurements - http://www.icgst.com/DSP/Volume6/Issue2/P1180641001.pdf • An Introduction to A* Path Planning (using LabVIEW)http://decibel.ni.com/content/docs/DOC-8983 • Algorithms and Data Structureshttp://www.cs.princeton.edu/courses/archive/spring09/cos226/assignments/ • IEEE Journal of Robotics and Automation Vol 7, No 3, June 1991, pp. 278-288 • Enhanced Uncertainty Modeling for robot localizationE. Fabrizi , G. Oriolo , S. Panzieri , G. Ulivi

16. מקורות - המשך: • Localization and mappin Using NI Robotics KitAnson Dorsey (ajd53) , Jeremy Fein (jdf226) , Eric Gunther (ecg35) • The A* Algorithm- http://theory.stanford.edu/~amitp/GameProgramming/AStarComparison.html#S3 • University of Moratuwa B.Sc. Engineering MAP BUILDING WITH ROTATING ULTRASONIC RANGE SENSOR- http://www.ent.mrt.ac.lk/iml/projects/2006/2k6EN407P7/report.pdf • Robotics starter kit first impression - http://decibel.ni.com/content/message/17478#17478

17. סיכום • הניסוי הנ"ל שם דגש על התנסות חוויתית של הסטודנטים עם עקרונות בסיסיים ברובוטיקה. • הניסוי לא בא להפוך את הסטודנטים למומחים בLabVIEW או למומחי רובוטיקה, אלא לתת טעימה ראשונית מהנושא, ולעורר את הסקרנות של אותם סטודנטים לנושא. • הניסוי שם דגש על העקרונות הנפוצים ביותר בעולם הרובוטים, כגון תנועה דיפרנציאלית וחישה אולטרא סונית, כמו גם VFH. • התבססות הניסוי על הרובוט של NI התבררה כניסיון שצלח, שכן הרובוט התגלה כאמין יחסית ועמיד פבני עבודה ממושכת. כמו כן התמיכה שניתנה בזמן העבודה על הפרוייקט הראתה שישנה תשתית של NI בארץ שיכולה לתת תמיכה בזמן אמת.

18. סיכום - המשך • צפויים קשיי קליטה למערכת בטכניון שכן היא רגישה לשינויים בסביבת ההרצה, ולנייוד שלה ממערכת מחשוב אחת לאחרת. • מנחה הניסוי צריך להיות בעל ידע טוב ב- LABVIEW ובעל הכרות מעמיקה עם החומרה. • הונח הבסיס לעבודה עם רובוט ה-Starter Kit באמצעות LabVIEW. הקוד מאפשר שליטה מלאה על ה-Encoders של המנועים ומנוע הסנסור, כמו גם מכיל דוגמאות לשימוש בהם על פי אלגוריתמים שונים. • ה-GUI בנוי בשיטת Object Oriented כך שהוספה של תכונות ל-GUI אפשרית במאמץ קטן מבלי צורך לשנות את שאר הקוד. • הוספת דונגל אל חוטי לרובוט תאפשר לו ניידות רבה יותר במעבדה.