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Kybernetik Roboterentwicklung für die DARPA-Challenge

| Autor / Redakteur: Russ Tedrake * / Franz Graser

Die DARPA Robotics Challenge dient zur Forschung an Robotern an, die eigenständig in Gefahrenbereichen arbeiten. Dieser Bericht zeigt, wie ein Team des MIT den Wettbewerb meisterte.

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Der ATLAS-Roboter entfernt bei den DRC-Probeläufen Trümmer, um eine Tür freizuräumen.
Der ATLAS-Roboter entfernt bei den DRC-Probeläufen Trümmer, um eine Tür freizuräumen.
(Bild: MathWorks)

Im Dezember 2013 brach ein humanoider Roboter durch eine Wand, räumte eine Tür frei, rollte einen Feuerwehrschlauch ab, schloss ihn an und fuhr auf dem Homestead-Miami Speedway ein Nutzfahrzeug durch einen Hindernisparcours.

Die Regelungsalgorithmen des Roboters wurden von einem Team des Massachusetts Institute of Technology, das an der DARPA Robotics Challenge (DRC) teilnahm, mit MATLAB und Simulink entwickelt. Dieser Wettbewerb soll die Forschung an Robotern anregen, die in Gefahrenbereichen eigenständig arbeiten können. Autonom arbeitende Roboter können angewiesen werden, einfache Aufgaben eigenständig zu erledigen, wie etwa ein Lenkrad zu drehen oder einen Griff zu fassen.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Embedded Software Engineering Report 2 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Zwischen dem Erhalt des Roboters und dem Wettkampftag blieben dem Team weniger als fünf Monate Zeit, die Regelungsalgorithmen zu entwickeln, zu debuggen und zu testen. MATLAB und Simulink halfen dabei, diesen engen Zeitplan einzuhalten, denn so konnte das Team anspruchsvolle, optimierungsbasierte Regelungsalgorithmen zügiger erstellen, als das mit C oder maschinennahen Sprachen möglich gewesen wäre.

Einen Roboter mit Eleganz und Effizienz bewegen

Die Arbeit für den DRC war eine Weiterführung der Forschungsaufgabe, Robotern elegantere Bewegungen in der echten Welt zu ermöglichen. Das Ziel ist es, sowohl Laufroboter zu entwerfen, die sich so gewandt wie Ballerinas bewegen, als auch unbemannte Luftfahrzeuge, die wie Vögel fliegen. Bei diesen Fragestellungen handelt es sich um grundlegende Probleme der Robotik. Diese zwingen Forscher, schwierige nichtlineare Regelungsprobleme zu lösen, die in vielen anderen Bereichen Anwendung finden.

Bild 1: Oben: Luftstrom über den Flügel bei zunehmendem Flügelwinkel. Unten: Veranschaulichung des Flügelluftstroms eines Gleitseglers bei steilem Strömungsabriss.
Bild 1: Oben: Luftstrom über den Flügel bei zunehmendem Flügelwinkel. Unten: Veranschaulichung des Flügelluftstroms eines Gleitseglers bei steilem Strömungsabriss.
(Bild: MathWorks)

Ein Vogel beispielsweise überflügelt ganz nebenbei einige der besten Regelungssysteme, die je von Menschen entworfen wurden. Wenn sich ein Vogel auf einen Ast setzt, bewegt er seine Flügel und seinen Körper so, dass sie fast senkrecht zur Flugrichtung und der anströmenden Luft stehen. Dieses Manöver steigert den Luftwiderstand des Vogels durch die Vergrößerung der dem Luftstrom ausgesetzten Oberfläche und durch die Erzeugung eines Niederdruckluftbereichs hinter dem Flügel (Bild 1).

Für das gewünschte schnelle Abbremsen werden Viskosität und Druckkraft gekoppelt. Das Manöver hat erhebliche Folgen: An den Flügeln kommt es zu einem Strömungsabriss, was bedeutet, dass es zu einem dramatischen Auftriebsverlust und möglicherweise auch zum Kontrollverlust kommt. Die Aerodynamik wird instabil (zeitlich veränderlich) und nicht-linear, wodurch es schwierig wird, die aerodynamischen Kräfte zu modellieren und genau vorherzusagen. Und doch setzen Vögel sich scheinbar mühelos auf Äste. Helikopter und Flugzeuge, die senkrecht starten und landen können, benötigen im Vergleich dazu geraume Zeit und Energie, um an einem bestimmten Punkt zu landen. Ebenso sind wohl nur wenige Piloten bereit, zwischen Wolkenkratzern hindurchzufliegen; Eulen und Falken jedoch navigieren mit Leichtigkeit durch dichten Wald.

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