Robotirányítás rendszertechnikája

A tantárgy angol neve: Robot Control Architectures

Adatlap utolsó módosítása: 2018. február 26.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Villamosmérnöki szak, MSc képzés       
Számítógép-alapú rendszerek főspecializáció       

Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIAUMA10 2 2/1/0/v 4  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Tevesz Gábor,
4. A tantárgy előadója
Név: Beosztás: Tanszék, Intézet:
Dr. Tevesz Gábor egyetemi docens Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Bézi István c. egyetemi docens Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Oláh István mestertanár Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Mikrokontrolleres és interfésztechnikai alapismeretek, valós idejű programozás
6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIAUM255" , "jegy" , _ ) >= 2
VAGY
TárgyEredmény("BMEVIAUM255", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

7. A tantárgy célkitűzése A tantárgy célja, hogy a hallgatók ismereteket szerezzenek a komplex automatizált rendszerek egyik nagy családjának, a robotirányításnak a területén használatos hardver és szoftver eszközökről, elsajátítsák a használatos architektúrák és irányítási algoritmusok főbb jellegzetességeit. Megismerkednek a robotok mozgását leíró modellekkel, irányítási architektúráikkal, a robotprogramozási nyelvek szerkezetével és tulajdonságaival. A tantárgy két hat szabadságfokú általános célú szerelőrobot példáján keresztül szemlélteti a tanultakat. Áttekinti a robotikában alkalmazott digitális szabályozások elméletét, algoritmusait, realizálási kérdéseit. Bevezeti a hallgatókat napjaink egyik legdinamikusabban fejlődő robotikai területébe, a mobil robotok világába, bemutatva a mobil robotok szenzorait, tájékozódásának és irányításának alapelveit, algoritmusait.
8. A tantárgy részletes tematikája Robotirányítási alapismeretek (1 hét)
A robot, mint komplex irányítandó folyamat. Robotgenerációk, robottípusok és alkalmazásaik.

Robot manipulátorok kinematikája és dinamikája (2 hét)
A robot geometriája – direkt geometriai feladat. Lineáris transzformációk. Koordináta-transzformáció.  A Rodrigues-képlet. Az orientáció jellemzése Euler-szögekkel. Merev testek relatív helyzetének jellemzése homogén koordinátákkal. Merev, nyílt láncú elágazás nélküli robot leírása. Robotok leírása a Denavit-Hartenberg-alak segítségével.
A robot differenciális mozgása. Egy csukló hatása. A robot Jacobi-mátrixa. Direkt kinematikai feladat. Inverz kinematikai feladat. Statikus erők és nyomatékok transzformálása. A robot dinamikája.
Robotirányítási módszerek. Decentralizált szervóhajtások. Kiszámított nyomaték (nemlineáris szétcsatolás) módszere. Hibrid pozíció- és erőirányítás.

Robot manipulátorok irányítása (4 hét)
Pozíció, sebesség és gyorsulásérzékelés. Inkrementális adók, abszolút szöghelyzet adók. Az érzékelők illesztése mikrokontrollerekhez, pozíció és sebesség számítás.
A Nokia-Puma 560 irányító rendszere: a Szfera-35. Blokkvázlat, a központi vezérlő, hajtásvezérlő kártya. Az ERC robotvezérlő rendszer. Blokkvázlat, főbb elemek, kommunikációs eszközök.
A Mitsubishi MELFA ipari robotcsalád architektúrája és programozása. A MELFA robot szimulátora.

Digitális szabályozó algoritmusok (2 hét)
Szabályozók és programozásuk. Alapfogalmak, a szabályozók típusai. A szabályozás funkcionális egységei és jelei. A szabályozásokkal szemben támasztott elvárások. Szabályozók kiválasztása. Szabályozók arányos folyamathoz. Szabályozók integráló folyamathoz.
A legfontosabb szervomotorok. Az egyenáramú szervomotor.
Nemlinearitások: kotyogás, érzéketlenségi sáv, telítődés. Az elintegrálódás és kiküszöbölése. A FOXBORO szabályozó.
Szabályozási feladatok robotokban. Áramkorlátozás, nyomatékszabályozás, áramszabályozás, szögsebesség (fordulatszám) szabályozás, pozíciószabályozás.
Szabályozók tervezése (arányos és integráló folyamatra), szabályozók programozása. Folytonos idejű és diszkrét idejű szabályozók, lökésmentes indítás.

Robot programozási nyelvek (1 hét)
Robot programozási nyelvek. On-line, off-line programozás, explicit programozási nyelvek. A robotprogramozás fejlődési irányai, implicit programozás. Az ARPS programnyelv és bővítése hibrid pozíció-erő irányításhoz (HARPS).

Mobil robotok (3 hét)
Mobil robotok osztályozása. Kerekeken mozgó robotok, járó robotok, moduláris robotok. Holonomia.
Mobil robotok helymeghatározása. Abszolút és relatív melymeghatározási módszerek. Odometria - inkrementális adók, kódadók és optikai szenzorok használata, kalibráció. Inerciális szenzorok, működési elvük, korlátaik. Az ultrahangos távolságmérés elve és tulajdonságai. GPS és DGPS. Működő rendszerek és főbb jellemzőik, a helymeghatározás elve. Pontosság és annak növelési lehetőségei.
Mobil robotok navigációja akadályok között. Pályatervezési módszerek. A konfigurációs tér. Ütközésmentes pályatervezési algoritmusok: gyorsan feltérképező sűrű fa (RDT) módszerek, cella-dekompozíció, láthatósági gráf. A reaktív akadályelkerülés módszerei: virtuális erőtér (VFF), vektormező hisztogram (VFH) és dinamikus ablak (DWA) módszerek.

Gyakorlatok:
  1. Mobil nyomkövető robot verseny feladatkiírása
  2. Nokia-Puma 560 direkt/inverz geometriai feladat számítása
  3. Inkrementális adó pozíció- és sebességszámításra
  4. ARPS nyelvi elemek használata, programozási példák
  5. Digitális szabályozók
  6. Mobil robotok helyzet-meghatározási példái
9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) A tantárgy anyaga előadásokon és gyakorlatokon kerül ismertetésre. Az előadások és a gyakorlatok az anyag ütemében váltogatják egymást, a gyakorlatokon példák és esettanulmányok formájában kerül elmélyítésre az előadásokon elhangzott elméleti tananyag.
10. Követelmények

A szorgalmi időszakban:    egy zárthelyi 
A vizsgaidőszakban:           írásbeli vizsga

Elővizsga:                           igény szerint

Az aláírás megszerzésének feltétele a zárthelyi elfogadható (legalább elégséges szintű) megoldása. A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megléte. A vizsgán is el kell érni legalább az elégséges szintet, a tárgyból szerzett érdemjegy 30%-ban a zárthelyin, 70%-ban a vizsgán mutatott eredményből tevődik össze.

11. Pótlási lehetőségek A zárthelyihez a TVSZ előírásai szerint a szorgalmi időszakban 1 pótlási lehetőséget biztosítunk. Második pótlás lehetősége csak indokolt esetben, egyéni egyeztetést követően biztosítható.
12. Konzultációs lehetőségek Órák előtt és után, továbbá a tanszéken, egyeztetés szerint
13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

Tevesz G., Bézi I.: Robotirányítás rendszertechnikája (Elektronikus jegyzet). BME AUT, 2017.

Tevesz G., Szabó Z.: Mikrokontroller alapú rendszerek (Elektronikus jegyzet). BME AUT, 2017.

J. Borenstein - H.R. Everett - L. Feng: "Where Am I?" Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning. The University of Michigan, 1996.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontaktóra

42

Készülés előadásokra

14

Készülés gyakorlatokra
 7
Felkészülés zárthelyire

15

Házi feladat elkészítése

-

Kijelölt írásos tananyag elsajátítása

10

Vizsgafelkészülés

32

Összesen

120

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Név: Beosztás: Tanszék, Intézet:
Dr. Tevesz Gábor egyetemi docens Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Bézi István c. egyetemi docens Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék