Entwicklung und Erprobung einer Multi-Roboter-Steuerung für den Aufbau eines Roboterschwarms

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines zuverlässig und präzise fahrenden PIA Roboters und dessen Ansteuerung. Im Zuge dessen wird das bestehende System analysiert und ein verbessertes Systemdesign, neue Schaltpläne und eine neues PCB-Design für den Einsatz des neuen Microcontrollers ESP32 und der beiden Motorcontroller vom Typ Baby Orangutan erstellt. Um mehrere Roboter komfortabel auf einem einheitlichen Firmware-Stand zu halten, werden Over-the-Air-Funktionalitäten für den ESP32 sowie für die beiden Motorcontroller umgesetzt. Die Softwareänderungen, welche bedingt durch die neue Hardware benötigt werden, werden erläutert und Verbesserungen der Bestandsfunktionen vorgestellt. Neben einer Vorsteuerung für Motordrehzahlen wird auch ein weiterer Regelkreis implementiert, welcher die Roboterorientierung mittels einer inertialen Messeinheit stabilisiert. Die bestehenden Protokolle werden dahingehend angepasst, dass mehrere Roboter individuell angesteuert werden können. Dies bildet die Grundlage zum Aufbau eines Roboterschwarms. Abschließend wird ein Algorithmus vorgestellt, welcher mittels ArUco-Marker einen anderen Roboter identifizieren, um anschließend an ihm anzudocken. Die so verbunden Roboter können eine Formationsfahrt vollziehen, ohne sich relativ zueinander zu bewegen.

This thesis deals with the development of a reliable and precise driving PIA robot and its control. In the course of this work, the existing system is analysed and an improved system design, new circuit diagrams and a new PCB design for the use of the new microcontroller ESP32 and the two motor controllers of the Baby Orangutan type are created. In order to keep several robots comfortably on a uniform firmware level, over-the-air functionalities are implemented for the ESP32 and the two motor controllers. The software changes required due to the new hardware are explained and improvements of the existing functions are presented. In addition to a feedforward control for engine speeds, another control loop will be implemented, which stabilizes the robot orientation by means of an inertial measurement unit. The existing protocols will be adapted to allow individual control of several robots. This forms the basis for building a robot swarm. Finally, an algorithm is presented which uses ArUco markers to identify another robot in order to dock with it. The robots connected in this way can perform a formation drive without moving relative to each other.