BME VIK - Robotkarok és mobilis robotok

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Gincsainé Dr. Szádeczky-Kardoss Emese,

A tantárgy tanszéki weboldala https://edu.vik.bme.hu/

4. A tantárgy előadója

Gincsainé Szádeczky-Kardoss Emese (docens, IIT)

Dr. habil. Harmati István (docens, IIT)

Dr. Kiss Bálint (docens, IIT)

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Matematika, szabályozástechnika

7. A tantárgy célkitűzése A tárgy célja, hogy összefoglalja az ipari robotrendszerek és az ember nélküli, autonóm mobilis robotok modellezésének, irányításának és intelligens rendszertechnikai megvalósításának elméleti és gyakorlati alapjait. A tárgy bemutatja a legelterjedtebb robotok típusait, a modellezésük elméleti alapjait, a pályatervezésük és irányításuk módszereit. Ismerteti a mobilis robotok navigációjához használt modern érzékelőket és az alapvető szenzorfúziós megoldásokat, továbbá különböző mozgástervezési módszereket. A tantárgyat sikeresen teljesítő hallgatók közre tudnak működni komplex robotrendszerek összeállításában, irányító algoritmusainak fejlesztésében és megvalósításában.

8. A tantárgy részletes tematikája

Előadások tematikája:

1. Mechatronikai alapfogalmak

Matematikai összefüggések, jelölések átismétlése, bevezetése. Merev testek pozíciójának, orientációjának leírás síkban és térben.

2. Robotkarok geometriai és kinematikai modellje

Robotkarok Denavit-Hartenberg-alakja. Direkt én inverz geometriai feladat. Robot Jakobi mátrixa. Redundáns és alulirányított esetek.

3. Robotkarok dinamikai modellje

Lagrange-egyenlet. Dinamikus modell felírása Lagrange-egyenlet alapján. Példa a 2-dof robotkarral.

4. Robotkarok irányítása

Decentralizált 3-hurkos kaszkádszabályozás. Kiszámított nyomatékok módszere. Hibrid pozíció és erő irányítás.

5. Robotkarok pályatervezési feladata

Pályatervezési feladat a csap-furat problémán illusztrálva. Polinomiális trajektóriatervezés csuklókoordinátákban.

6. Mobilis robotok bevezetés

Mobilis robotok típusai, matematikai modellek (kerekeken guruló, lépegető, repülő robotok).

7. Mobilis robotok navigációja

Navigációs módszerek bemutatása. Inerciális navigáció érzékelői, mért és számított mennyiségek. Környezet érzékelése.

8. Szenzorfúzió

LS becslés, Kalman filter, Particle filter, SLAM probléma megfogalmazása.

9. Mozgástervezés hierarchikus megvalósítása

Globális és lokális tervező módszerek. Térkép típusok és alkalmazható megoldások (determinisztikus és véletlenszerű), reaktív tervezők (pl. APF, Bug, VO módszerek).

10. Mobilis robotok optimális pályatervezése síkban

Optimális pálya Dubins és Reeds-Shepp típusú robotok esetén. Folytonos görbületű pálya tervezése.

11. Területfedési pályatervezés

Területfedési probléma megfogalmazása, alkalmazási területek, megoldási lehetőségek (véltelenszerű, szisztematikus területfedési módszerek).

12. Mobilis robotok pályakövető szabályozása

Hibatranszformáción alapuló szabályozás, simasági tulajdonságon alapuló irányítás, PI jellegű megoldások.

13. Robot Operating System

ROS architektúra alapjai: ROS 1 és ROS 2 röviden.

Gyakorlatok tematikája:

1. Robotkar modellezés Matlab-Simulink-Simscape környezetben (direkt és inverz geometria)

2. Robot irányítás Matlab-Simulink-Simscape környezetben

3. Differenciális meghajtású mobilis robot odometriai feladata

4. Inerciális navigáció (IMU elemei és fúziójuk, előnyök és hátrányok)

5. Kalman szűrő használata navigációs célra

6. Optimális pálya meghatározása Dubins típusú robotok esetén

7. Mobilis robot pályakövető szabályozása

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Heti két óra előadás, továbbá kéthetente két óra gyakorlat. A félév során egymásra épülő fogalmak és módszerek kerülnek bemutatásra, így az előadások és gyakorlatok anyagának megértéséhez alapos és folyamatos felkészülés ajánlott. A gyakorlatokon használt Matlab alapú fejlesztőkörnyezet a hallgatók számára virtuális gépeken a gyakorlatokon és azon kívül is elérhetők.

10. Követelmények

Szorgalmi időszakban:

Aláírás megszerzése az alábbi két követelmény teljesítésével:

1. A félév során kiadott otthoni feladat önálló megoldásának eredményes beadása (értékelés: elfogadva/nem elfogadva).

2. Összegző értékelés: egy darab 90 perces zárthelyi dolgozat (ZH) eredményes (legalább elégséges) megírása. A ZH-n számonkért anyagrész a teljes féléves tananyag 50%-a. A ZH eredménye a vizsgajegybe 40%-kal beszámít.

Vizsgaidőszakban:

A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megszerzése. A vizsga írásbeli teljesítményértékelésből és az évközi teljesítményértékelésen elért eredmény beszámításából áll. (Az évközi teljesítményértékelés eredményének javítására a vizsgaidőszakban nincsen mód.)

11. Pótlási lehetőségek A ZH a szorgalmi időszakban egy alkalommal pótolható vagy annak eredménye javítható. A ZH a pótlási héten nem pótolható. Késedelmes házi feladat leadás a pótlási héten lehetséges.

12. Konzultációs lehetőségek A szorgalmi időszakban elsősorban a tárgy oktatóinak fogadóóráján, illetve igény szerint előre egyeztetett időpontban. A vizsgaidőszakban elektronikus egyeztetés után a vizsga előtti munkanapon.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

Lantos B.: Robotok irányítása. Akadémiai Kiadó, 3. kiadás, 2002, ISBN 963 05 7944 8

Lantos B.: Irányítási rendszerek elmélete és tervezése II. Korszerű szabályozás rendszerek. Akadémiai Kiadó, 2003, ISBN 963 05 7922 7

LaValle, S. M.: Planning Algorithms. Cambridge University Press, 2006, ISBN-13: 978-0521862059

Elektronikus segédanyagok a tárgy honlapján.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra	42
Félévközi készülés órákra	28
Felkészülés zárthelyire	15
Házi feladat elkészítése	30
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása	20
Vizsgafelkészülés	15
Összesen	150

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Gincsainé Szádeczky-Kardoss Emese (docens, IIT)

Dr. habil. Harmati István (docens, IIT)

Dr. Kiss Bálint (docens, IIT)