Splinegebaseerde bewegingsplanning voor autonome mechatronische systemen

In de moderne industrie heerst een eeuwigdurende zoektocht naar manieren om de productiviteit te verhogen en tegelijk de productiekosten te verminderen. Autonome systemen bieden veel potentieel om vooruitgang te boeken in deze zoektocht. Deze systemen laten namelijk toe om de efficiëntie van verschillende industriële processen en taken drastisch te verhogen. Voorbeelden hiervan zijn het oogsten van velden met een tractor, pakketten oppikken in een groot magazijn of containers transporteren door de haven. Daarnaast kunnen autonome systemen ook voordelen bieden in het dagelijkse leven, bijvoorbeeld in toepassingen zoals robotchirurgie, het bezorgen van pakketjes met drones of het inzetten van robots voor het verzorgen van ouderen.

Het bestuderen van de autonome systemen die rondrijden in moderne industriële omgevingen toont aan dat deze systemen momenteel vaak op een conservatieve manier gebruikt worden, en enkel kunnen functioneren in omgevingen die sterk aangepast zijn. Deze beperkingen zorgen er echter voor dat de systemen hun mogelijkheden niet ten volle kunnen benutten. Bijgevolg is er een sterk toegenomen interesse ontstaan in flexibele technieken die toestaan om autonome systemen vrij doorheen omgevingen te bewegen, zonder dat daaraan specifieke aanpassingen vereist zijn.

Deze thesis stelt een nieuwe spline-gebaseerde methode voor om trajecten te berekenen die holonome en niet holonome systemen door onzekere en dynamische omgevingen laten bewegen, rekening houdend met de kinematische systeemlimieten, zonder tegen obstakels te botsen. Om de trajecten te kunnen aanpassen aan veranderingen in de omgeving en om optredende onzekerheden in te rekenen, wordt het trajectgeneratieprobleem online opgelost, terwijl het systeem verderbeweegt. Door de eigenschappen van de gebruikte splines uit te buiten blijft de grootte van het resulterende optimalisatieprobleem beperkt, zodat het snel kan opgelost worden en de methode veranderingen vlot in rekening kan brengen. Daarnaast laten de spline-eigenschappen ook toe om te garanderen dat de opgelegde beperkingen op alle tijdstippen voldaan zijn.

Wanneer de omgeving waar het systeem doorheen beweegt heel uitgestrekt is en veel obstakels bevat wordt het trajectgeneratieprobleem te complex om in één stap op te lossen. Bovendien zullen de obstakels die in de buurt van de eindpositie van het systeem bewegen voortdurend het volledige berekende traject beïnvloeden. Aangezien de bewegingen van deze obstakels niet op voorhand bekend zijn, kan de situatie wanneer het systeem in de buurt van zijn eindpositie komt volledig anders zijn dan bij het begin van de beweging. Daarom is het niet voordelig om alle bewegende obstakels meteen mee te rekenen. In het geval van een uitgestrekte omgeving wordt er bijgevolg gebruik gemaakt van een centrale planner, die de ontworpen spline-gebaseerde aanpak combineert met een globale padplanner, om het volledige beschouwde trajectgeneratieprobleem op te splitsen in een reeks subproblemen die kleiner en makkelijker op te lossen zijn. De resulterende aanpak geeft betere resultaten dan de meeste bestaande methodes, omdat hij toelaat om sterk af te wijken van het globale pad en bovendien vlot veranderingen in de omgeving in rekening kan brengen.

Een alternatieve toepassing waarvoor gebruik kan gemaakt worden van een gelijkaardige methode is het berekenen van gereedschapstrajecten om met een CNC-machine een bepaald werkstuk te produceren. Ook in dit geval is het nodeloos complex om het volledige trajectgeneratieprobleem in één stap op te lossen. Daarom worden enkel de trajecten voor een bepaald aantal segmenten, die de contour van het werkstuk opbouwen, tegelijk berekend. De probleemformulering bevat de kinematische beperkingen van de machine, de proceslimieten en de toegelaten tolerantie. Als gevolg laat de ontworpen methode toe om fysisch realiseerbare trajecten te berekenen die de tolerantie uitbuiten om scherpe hoeken af te snijden en zo de vereiste productietijd te verlagen. Om ontkoppeling tussen opeenvolgende groepen van segmenten waarvoor tesamen trajecten berekend worden te vermijden, gebruikt de methode een voortbewegende horizon. Op deze manier ontstaat er een vlotte overgang tussen alle segmenten, wat de vereiste productietijd verder verlaagt.

Uitgebreide numerieke simulaties illustreren de mogelijkheden van de ontworpen methodes. Daarnaast worden de methodes ook experimenteel gevalideerd op de KUKA youBot en op een 3-assige micro-freesmachine. OMG-tools, een gebruiksvriendelijke toolbox voor trajectgeneratie, wordt uitgebreid met alle methodes die zijn voorgesteld in deze thesis. Bijgevolg maakt OMG-tools het eenvoudig om problemen op te stellen met de ontworpen spline-gebaseerde trajectgeneratie methode, deze op te lossen en er realistische simulaties of experimenten mee uit te voeren.