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Umsetzung und Evaluation eines mit - FB3

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1. if isSafetyBraking driveRequest speed driveRequest steering 0 changing the maximal speed and rotational speed slowDriveControll rotationSpeed realSpeed if isSafetyBraking amp amp oldIsSafetyBraking double cellSize evidenceGrid cellSize LINE safetyInfo p x 3 cellSize p y p x 3 cellSize p y 1 Drawings ps_solid Drawings red LINE safetyInfo p x p y 3xcellSize p x p y 3 cellSize 1 Drawings ps_solid Drawings red DEBUG_DRAWING_FINISHED safetyInfo static double t 0 t 10 COMPLEX_DRAWING driveControllerPlot plotter plot t driveRequest speed 10 Drawings pink plotter plot t driveRequest steering 10 Drawings orange plotter plot t odometryPose speed translation x Drawings red plotter plot t toDegrees odometryPose speed rotation Drawings blue plotter plot t isSafetyBraking 100 0 Drawings yellow plotter plot t hasStopped amp amp joystickZero 90 10 Drawings green plotter send Drawings driveControllerPlot bool HNFSafetyLayer isHardwareStateOk return hardwareState isFrontScannerActive amp hardwareState isBackScannerActive amp hardwareState isOdometryActive amp amp hardwareState isWheelchairActive amp hardwareState isWheelchairOdometryError void HNFSafetyLayer execute justStopped hasStopped if fabs odometryPose speed translation x lt 20 amp amp fabs odometryPose speed rotat
2. Abbildung 8 Das Bedienmodul des Meyra Champ 2 1 2 Bedienmodul des Meyra Champ Das Bedienmodul enth lt den Joystick zur Steuerung des Rollstuhls sowie Tas ten um die Lichtanlage Blinker und die Hupe zu bet tigen sowie die Fahrwer te einzustellen Diese erm glichen es auch die Konfiguration des Rollstuhls zu ver ndern Da es im Museum nicht erw nscht ist dass Lichtanlage oder Hupe von Besuchern bet tigt werden k nnen und es gef hrlich w re wenn Besucher die Fahrwerte oder die Konfiguration ver nderten sind die Tasten mit einer Ple xiglasscheibe abgedeckt Die Museumsbesucher k nnen nur den Joystick bet tigen Das Bedienmodul hat au erdem einen CAN Bus ber den externe Joysticks angeschlossen werden k nnen Meyra bietet beispielsweise einen Joystick der sich mit der Zunge bet tigen l sst und einen der von einer Begleitperson bedient werden kann Dieser CAN Bus ist im Fall des Rollands die Schnittstelle ber die der Com puter den Rollstuhl ansteuert Der Computer ist im Verst ndnis der Meyra Phi losophie ein externer Joystick Die Priorit ten m ssen dementsprechend so ein gestellt werden dass der externe Joystick eine h here Priorit t erh lt als der interne Joystick an dem Bedienmodul Die Priorit ten sind im Fall des Rolland besonders wichtig da der Benutzer ihn ber den internen Joystick bedient Die gew nschte Fahrtrichtung und Geschwindigkeit wird jedoch von dem Computer auf Kollisionsfrei
3. am A 4 Bedienungsanleitung des HNF Rollands 81 A 4 Bedienungsanleitung des HNF Rollands Bedienungsanleitung fiir den intelligenten Rollstuhl Rolland Bitte beachten Sie zus tzlich alle Hinweise aus der Meyra Champ Bedienungsanleitung 82 A Anhang Inbetriebnahme Bevor Sie den Rolland einschalten stellen Sie sicher dass 1 der Bremsentriegelungshebel auf Motorbetrieb Fahren geschaltet ist 2 der Stecker des Ladegerates nicht in der Batterie Ladebuchse des Bedienmoduls steckt Einschalten des Rolland w hrend des Ladevorgangs kann zur Sch digung der Sensoren oder des Computers f hren 3 alle Hinweise aus der Meyra Champ Bedienungsanleitung beachtet wurden Nun k nnen Sie den Hauptschalter bet tigen Verhalten nach dem Anschalten 1 Direkt nach dem Bet tigen des Hauptschalters leuchten die mittleren Kontrollleuchten der Laserscanner auf und der L fter des Computers beginnt sich zu drehen W hrend die Laserscanner ihre Startkontrolle durchf hren ndern sie ihre Kontrollleuchtenanzeige Nach erfolgreicher Startkontrolle leuchten die Kontrollleuchten 2 und 3 von links an beiden Laserscannern 2 Nach etwas ber einer Minute schaltet sich das Bedienmodul ein 3 Nach weiteren ca 10 Sekunden ert nt kurz die Hupe Dies ist das Zeichen dass der Rolland nun voll funktionsf hig ist Sollte nach der beschriebenen Zeit die Hupe nicht ert nen lesen Sie bitte den
4. 3 1 4 Konfiguration des Betriebssystems Das Betriebssystem wird fiir den HNF Rolland auf einem 2 GB USB Flash Stick von SanDisk installiert Als erstes werden zwei Partitionen erstellt eine f r den Bootmanager und eine Systempartition Die Bootpartition ist 32 MB gro Der brige Speicherplatz des USB Sticks enth lt die Systempartition Es wird bewusst keine SWAP Partition erstellt Diese geh rt normalerweise zum Standard bei Linuxsystemen und stellt Festplattenspeicher f r die Auslagerun gen aus dem Arbeitsspeicher bereit Durch das Fehlen der SWAP Partition wird das Betriebssystem gezwungen keine Daten aus dem Arbeitsspeicher auszula gern was wie bereits beschrieben zu Problemen f hren kann Beide Partitionen werden mit dem Dateisystem ReiserFS formatiert Dies ist ein Journaling Dateisystem was den Vorteil hat dass bei jedem schreibenden Dateizugriff ein Journal geschrieben wird welches die Zugriffe dokumentiert Nach einem Systemabsturz m ssen folglich nur die Dateien auf Konsistenz ge pr ft werden die zur Zeit des Absturzes ge ffnet waren Da das System des HNF Rolland nach dem Betrieb nicht heruntergefahren wird sondern mit dem Hauptschalter auch der Computer ausgeschaltet wird ist diese Funktion ein wichtiger Sicherheitsfaktor Zus tzlich wird die Systempartition nach dem Boo ten als read only neu eingebunden so dass sich die Zeit eines m glichen Daten verlustes auf den Bootvorgang beschr nkt Auf alle optionale
5. include HNFSafetyLayer h include Platform Win32 GTAssert h include Tools Debugging GenericDebugData h include lt iostream gt using namespace std BrakingModel parameter see c BrakingModel HNF Wheelchair parameter efine AXLE WIDTH 641 efine ROTATION_DISTURBANCE 0 01 efine TRANSLATION_DISTURBANCE 0 005 efine PROPORTIONAL_DECELERATION 0 5 efine COULOMB_DECELERATION 600 efine LATENCY 0 1 efine MAX_SPEED 2000 efine MAX BACKWARD_SPEED 1000 efine MAX_ROTATION_SPEED 3 efine WHEEL_SPEED_DISCRETIZATION_ERROR 20 A H H H H H H H P r Resulting error in wheel speed between actual wheel speeds and next discretized table tt efine CELL_SIZE 25 x Maximum distance of any robot point to the center of rotation x Equals ChampShape getMaxRadius define RADIUS 950 Tas Below which safety factor should the speed be reduced define SOFT_LAMBDA 3 Ix x Below which safety factor should an emergencey stop be initiated define HARD LAMBDA 1 25 We do not check for braking distances above LAMBDA CUTOFF time maximum speed So if SOFT_LAMBDA currentSpeed gt LAMBDA CUTOFF maxSpeed speed is not reduced This might sound contraintuitive but allows to drive fast without looking very far ahead at the price of x harder braking al define LAMBDA CUTOFF 1 75 lex We compute the virtual sensor up to c LAMBDA VS times the maximal speed configured define LAMBDA VS 1 7
6. Towards Dialogue Based Shared Control of Naviga ting Robots In FREKSA C Hrsg KNAUFF M Hrsg KRIEG BRUCKNER B Hrsg NEBEL B Hrsg BARKOWSKY T Hrsg Spati al Cognition 2004 Bd 3343 Springer Verlag D 69121 Heidelberg Germany http www springer de 2004 Schlegel 1998 SCHLEGEL C Fast Local Obstacle Avoidance under Ki nematic and Dynamic Constraints for a Mobile Robot In In Proc of the IEEE RSJ Int Conf on Intelligent Robots and Systems 1 1998 Oktober S 594 599 Siegwart u a 2003 SIEGWART R ARRAS K O BOUABDALLAH S BURNIER D FROIDEVAUX G GREPPIN X JENSEN B LOROTTE A MAYOR L MEISSER M PHILIPPSEN R PIGUET R RAMEL G TERRIEN G TOMATIS N Expo 02 A large scale installation of personal robots In Robotics and Autonomous Systems 42 2003 M rz S 203 222 Siemens 2003 SIEMENS SIGUARD Laserscanner f r Personenschutz und Mefaufgaben Technische Produktbeschreibung Siemens AG 2003 Simmons 1996 SIMMONS Reid The curvature velocity method for local obstacle avoidance In In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation 4 1996 S 3375 3382 Stachniss und Burgard 2002 STACHNISS Cyrill BURGARD Wolfram An Integrated Approach to Goal directed Obstacle Avoidance under Dynamic Constraints for Dynamic Environments In Proceedings of the IEEE RSJ International Conference on Intelligent Robots and Syst
7. 4 Vrequest V joystick Im Nahbereich m ssen die weichen Fahrwerte noch st rker ber cksichtigt werden Daf r flie t die Stellung des Joysticks und damit die vom Benutzer 56 4 Evaluation des Fahrverhaltens Modifikation der Fahrbefehle modifizierte Fahrbefehle 0 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Softbrakegrenze Hardbrakegrenze 100 240 Geschwindigkeit des Rollstuhls Abbildung 15 Modifikation der Fahrbefehle im Bezug auf die reale Geschwindigkeit alle Angaben sind in sec geforderte Geschwindigkeit noch starker in diese Berechnung ein Die Formel lautet dann _ Vhard Vreal Ysoft Vsoft Vrequest V joystick X min un Vhard Vsoft Vreal Y joystick 5 Abbildung 15 zeigt wie durch diese Formel st rker in die Fahrbefehle einge griffen wird je n her die Geschwindigkeit des Rollstuhls an der Hardbrakegren ze liegt Das ber die Formel 5 erreichte Verhalten realisiert ein relativ weiches gleich m iges Bremsverhalten Der Rollstuhl wird sehr langsam wenn er sich einem Hindernis n hert Durch die langsame Geschwindigkeit vor einem Hindernis ist es m glich trotz der weichen Fahrwerte eine Bremsung zu realisieren die erst sehr nah an einem Hindernis endet Leichte Unregelm igkeiten lassen sich wegen der weichen Fahreinstellungen nicht v llig vermeiden werden so aber weitgehend minimiert 4 5 3 Das Problem des Heranruckelns an Hindernisse In die
8. Hindernisse in diesen Bereichen k nnen daher nicht wahrgenommen werden Allerdings merkt sich der Rolland Hindernisse die er einmal gesehen hat f r eine kurze Zeit so dass er auch vor Hindernissen h lt die innerhalb seines Blindbereiches liegen Diese werde aber nach einigen Sekunden vergessen damit der Fahrer nicht in Situationen geraten kann in denen er in keine Richtung mehr fahren kann Daher kann es zu Kollisionen kommen wenn man nach einen Abbremsen noch f r l ngere Zeit auf ein Hindernis zuh lt das die Laserscanner nicht wahrnehmen k nnen Um Sch den zu vermeiden f hrt der Rolland nur sehr langsam in diese unbekannten Bereiche Au erdem sind die Fu st tzen speziell gepolstert Beim Anfahren k nnen die vorderen Lenkr der je nach Stand die Fahrtrichtung leicht ver ndern Dadurch kann die gew nschte Fahrtrichtung leicht ver ndert werden Infolge dessen kann es zu kleinen Kollisionen kommen Leider gibt es keine M glichkeit die Postion der Lenkr der und die daraus folgende Richtungs nderung zu berechnen Diese Kollisionen k nnen nur beim Anfahren daher mit geringen Geschwindigkeiten und im Nahbereich auftreten Bewegte Hindernisse werden erkannt nicht aber ihre Bewegungen Wenn Menschen oder Fahrzeuge den Weg kreuzen bremst der Rolland erst wenn sich das Hindernis im Fahrtweg des Rollands befindet nicht vorausschauend Achten Sie darauf dass w hrend der Fahrt keine Gegenst nde vor den Laserscannern si
9. auf der der HNF Rolland eingesetzt wird jedoch keine T ren sondern Verkehrspylonen stehen und diese durch diese L sung nicht mehr mit dem Roll stuhl kollidieren ist der Ansatz f r diesen speziellen Einsatzfall der bestm gli che 68 5 Fazit Abbildung 19 Ein Museumsbesucher auf dem HNF Rolland 5 Fazit In diesem Abschnitt werden die Bewertungen der Museumsbesucher und des Kurators der Ausstellung Computer Medizin vorgestellt Es erfolgt ein Aus blick auf weitere Aufgaben und Ziele des Projekts Bremer autonomer Roll stuhl Au erdem wird das Gesamtsystem des HNF Rollands zusammenfassend dargestellt 5 1 Bewertung der Museumsbesucher und des Ausstellungskurators Zu zwei Terminen wurden Besucher der Ausstellung zum HNF Rolland befragt Die erste Befragung erfolgte bei dem ersten Praxistest der Ausstellung Com puter Medizin siehe Abschnitt 4 4 Die zweite Befragung fand nach vierein halb Monaten des Austellungsbetriebs statt Das bei der ersten Befragung aktive Fahrverhalten war das der SAMSafetyLayer siehe Abschnitt 4 2 Bei der zwei ten Befragung war das Fahrverhalten nach den in Abschnitt 4 5 beschriebenen nderungen aktiv Ebenfalls nach viereinhalb Monaten wurde der Kurator der Ausstellung Computer Medizin nach dem Wert des Exponats befragt 5 1 1 Besucherbefragungen Es wurden bei beiden Terminen jeweils 20 Personen befragt haupts chlich Sch ler Diese Gruppe ist sehr klein dennoch stel
10. der nur auf dem MSMX 104 nicht jedoch auf dem Mainboard verf g bar ist Des Weiteren w re der MSM855 mit dem MSMX104 zu hoch f r den Batte riekasten des Meyra Champ geworden Dies h tte erfordert einen neuen gr e ren Deckel f r den Batteriekasten zu bauen 2 3 1 Befestigung des MSM855 Die Etagen des MSM855 werden durch Abstandshalter mit M4 Gewinden ver bunden Die untere Etage steht auf diesen Abstandhaltern Zur Befestigung im Batteriekasten des Rollstuhls wird unter die unteren Abstandhalter die dadurch die St tzen des MSM855 sind eine Kunststoffplatte befestigt Dazu werden in 2 4 Die Laserscanner rotoScan ROD 4 von Leuze electronic 23 den Abst nden der St tzen L cher in die Kunststoffplatte gebohrt Die Gewin de der St tzen werden durch die L cher gesteckt und von unten mit M4 Muttern befestigt Im Batteriekasten des Meyra Champ befindet sich eine klappbare Stahlplatte die die Elektronik von den Batterien trennt Im vorderen Teil dieser Stahlplat te ist Platz fiir eine elektrische H henverstellung des Sitzes Diese elektrische H henverstellung ist jedoch weder beim HNF Rolland noch beim Rolland HI vorhanden da sie keinen Platz fiir den vorderen Laserscanner lassen wiirde Auf der Stahlplatte des Batteriekastens sind f r die Befestigung der Elektronik der Hohenverstellung Bohrungen vorhanden Diese werden beim HNF Rolland ge nutzt um die Kunststoffplatte auf der das MSM855 befestigt ist im Batte
11. en 4 5 Anderungen des Fahrverhaltens nach dem Praxistest 59 Vle ft joystick scale Sig joystickspeed z Sig joysticksteering 7 Vright joystick scale Sig joystickspeed ag Sig joysticksteering 8 Vie ft joystick 7 Geschwindigkeit f r das linke Antriebsrad die vom Joystick gefordert wird Vright joystick 7 Geschwindigkeit f r das rechte Antriebsrad die vom Joystick gefordert wird e scale Umrechnungskonstante um die Joystickwerte in umzurechnen e Sig joystickspeed Signalwert des Joysticks f r die Geschwindigkeit e Sig joysticksteering Signalwert des Joysticks f r die Lenkung Die Berechnung der simulierten Geschwindigkeit wird nun komplexer Es m ssen nun zwei Geschwindigkeiten f r das rechte und das linke Rad simuliert werden Die 1 Norm des Vektors der simulierten Geschwindigkeit soll weiter hin der Geschwindigkeitsgrenze entsprechen Zun chst wird ermittelt welchen Anteil an der simulierten Geschwindigkeit die reale Geschwindigkeit hat und welchen die Geschwindigkeit des Joysticks Vreal Partreal 9 limit Vreal part joystick 1 10 Vlimit parl eal Anteil der realen Geschwindigkeit an der simulierten part joystick Anteil der vom Joystick geforderten Geschwindigkeit an der simulierten Viimit die Geschwindigkeitsgrenze deren Unterschreitung zur Simulation der Geschwindigkeit f hrt Vreal 1 Norm des Geschwindigkeitsvektors der aktuell von den Sensoren gemessen wird
12. gen Softwareanpassungen Die eingesetzte Kollisionsvermeidung wird in einem eigenen Unterabschnitt behandelt 3 1 Das Betriebssystem 3 1 1 Windows QNX oder Linux Beim Rolland III l uft die GTRolland Software unter Microsoft Windows XP Dies birgt einige Risiken So ist Windows kein RealTime Betriebssystem und sichert nicht zu zeitkritische Berechnungen zur gew nschten Zeit zu erledigen Dies f hrt dazu dass m glicherweise Windows gerade Teile seines Arbeitsspei chers in die Auslagerungsdatei schreibt beziehungsweise die Auslagerungsdatei ausliest w hrend der Rolland auf eine Wand zuf hrt So k nnen Gefahren ber sehen werden und die Software wird unsicher aufgrund des Betriebssystems Um diese Probleme beim HNF Rolland zu vermeiden wurden verschiede ne Betriebssysteme in Erw gung gezogen So zum Beispiel mehrere Linux Distributionen mit und ohne den RealTime Linux Kernel und QNX bei dem es sich um ein reines RealTime Betriebssystem handelt Die Entscheidung fiel auf die Linux Systeme da die GTRolland Software nicht darauf ausgelegt ist RealTime Schnittstellen zu benutzen und Linux eine h here Hardware Kompatibilit t aufweist als QNX Dar ber hinaus gibt es ei ne umfassende Dokumentation zu einer Vielzahl von Problemen mit Linux im Internet QNX hat auf Grund der geringeren User Zahlen keine so umfassende Dokumentation 3 1 2 RealTimeLinux Obwohl die GTRolland Software keine RealTime Schnittstellen benutzt ist
13. 5 Konfiguration des Betriebssystems 85 A 5 Konfiguration des Betriebssystems Das Betriebssystem wird fiir den HNF Rolland auf einem 2 GB USB Flash Stick von SanDisk installiert Als erstes werden zwei Partitionen erstellt eine f r den Bootmanager und eine Systempartition Die Bootpartition ist 32 MB gro Der brige Speicherplatz des USB Sticks enth lt die Systempartition Es wird bewusst keine SWAP Partition erstellt Diese geh rt normalerweise zum Standard bei Linuxsystemen und stellt Festplattenspeicher f r die Auslagerun gen aus dem Arbeitsspeicher bereit Durch das Fehlen der SWAP Partition wird das Betriebssystem gezwungen keine Daten aus dem Arbeitsspeicher auszula gern was wie bereits beschrieben zu Problemen f hren kann Beide Partitionen werden mit dem Dateisystem ReiserFS formatiert Dies ist ein Journaling Dateisystem was den Vorteil hat dass bei jedem schreibenden Dateizugriff ein Journal geschrieben wird welches die Zugriffe dokumentiert Nach einem Systemabsturz m ssen folglich nur die Dateien auf Konsistenz ge pr ft werden die zur Zeit des Absturzes ge ffnet waren Da das System des HNF Rolland nach dem Betrieb nicht heruntergefahren wird sondern mit dem Hauptschalter auch der Computer ausgeschaltet wird ist diese Funktion ein wichtiger Sicherheitsfaktor Zus tzlich wird die Systempartition nach dem Boo ten als read only neu eingebunden so dass sich die Zeit eines m glichen Daten verlustes auf den Bootv
14. AG 2000 Fox u a 1997 Fox Dieter BURGARD Wolfram THRUN Sebastian The Dynamic Window Approach to Collision Avoidance In IEEE Robotics and Automation Magazine 4 1997 M rz S 23 33 Hokuyo 2005 HOKUYO Scanning Laser Range Finder for Robotics URG 04LX Osaka Japan Hokuyo Automatic Co LTD 2005 Khatib und Chatila 1995 KHATIB M CHATILA R An extended po tential field approach for mobile robot sensor based motions In Jn Pro ceedings of the Internation Conference on Intelligent Autonomous Systems IAS 4 1995 S 27 30 Khatib 1986 KHATIB Oussama Real time obstacle avoidance for robot manipulator and mobile robots In The International Journal of Robotics Research 5 1986 Nr 1 S 90 98 Krieg Br ckner u a 2005 KRIEG BRUCKNER B FRESE U L T TICH K MANDEL C MOSSAKOWSKI T ROSS R Specification of an Ontology for Route Graphs In FREKSA C Hrsg KNAUFF M 94 Literatur Hrsg KRIEG BRUCKNER B Hrsg NEBEL B Hrsg BARKOW SKY T Hrsg Spatial Cognition IV Bd 3343 Springer Verlag D 69121 Heidelberg Germany http www springer de 2005 S 390 412 Krieg Br ckner u a 1998 KRIEG BRUCKNER B R FER T CARME SIN H O MULLER R A Taxonomy of Spatial Knowledge for Navigation and its Application to the Bremen Autonomous Wheelchair In FREKSA C Hrsg HABEL C Hrsg WENDER K F Hrsg Spatial Cognition Springer http
15. Besucher die Ausstellung besichtigt Bis zum Ende der Ausstellung im Heinz Nixdorf MuseumsForum wird eine Gesamtzahl von 100 000 Besuchern erwartet Alle F hrungen f r die letzten zwei Monate sind schon im Voraus ausgebucht Es ist geplant die Ausstellung noch in anderen Museen zu zeigen Die n chste Station wird voraussichtlich Bochum sein 5 2 Ausblick Die n chste Aufgabe der sich das Projekt Bremer autonomer Rollstuhl stellen will wird die Weiterentwicklung des Rollands III zur Serienreife sein Dabei 5 3 Einsetzbarkeit 73 soll das System besonders im Hinblick auf Kostenersparnis optimiert werden Dabei soll weiterhin der Meyra Champ als Plattform zum Einsatz kommen Bei den Sensoren gibt es erhebliches Einsparpotential es ist geplant nur noch einen Laserscanner einzusetzen den URG 04LX von Hokuyo Hokuyo 2005 Dieser kann allein in einem 240 Winkel scannen Seine Grundfl che betr gt 5cm x 5cm seine H he 7cm Er soll unter dem Batteriekasten angebracht wer den so dass alle Seiten abgedeckt werden Die Zahl der toten Winkel w rde sich dadurch ver ndern da nun auch die Antriebsr der Hindernisse bei den Scans darstellen Daf r w re anders als beim Rolland III der Bereich zwischen den Lenk und den Antriebsr dern abgedeckt Da der Laserscanner URG 04LX nur vier Meter weit entfernte Hindernisse sicher erkennt und nicht wie die rotoScan ROD 4 40 Meter weit scannt ist der Laserscanner URG 04LX deutlich billi
16. Breite Gewicht max Gewicht des Nutzers Meyra Champ 109 cm 64 66cm 106 kg 120 kg Rolland III 114 115cm 64 66cm 112 kg 114 kg HNF Rolland 112 113cm 64 66cm 112kg 114 kg Tabelle 1 Ausma e und Gewicht des Meyra Champ Rolland II und des HNF Rollands weitere 2 cm ber die Grundfl che des Meyra Champ ragt Die zus tzliche Hardware die beim Rolland in den Meyra Champ eingebaut ist wiegt ca 6 kg Dieses Gewicht muss entsprechend beim Nutzer eingespart werden daher verringert sich das maximale Nutzergewicht Die Stromversorgung wird ber zwei in Reihe geschaltete 12 Volt Autobatterien realisiert Diese liefern 24 Volt bei maximal 60 Ampere Eine berschreitung dieser Leistung wird durch die Hauptsicherung verhindert Die gesamte Hardware des Rollands ist ebenfalls an diese Stromversorgung ange schlossen 2 1 1 Bauliche Ver nderungen am Meyra Champ zum sicheren Einsatz als Museumsexponat Um einen sicheren Einsatz als Museumsexponat zu gew hrleisten wurden drei Ver nderungen am Meyra Champ vorgenommen siehe Abbildung 7 Die Tasten des Bedienmoduls sind durch eine Plexiglasscheibe abgedeckt um zu verhindern dass Museumsbesucher den Rollstuhl ausschalten die Lichtan lage bet tigen oder die Fahrwerte ver ndern Letzteres k nnte zu ungewollten Eigenschaften der Kollisionsvermeidung f hren da die Software von den h r testen einstellbaren Fahrwerten ausgeht und nicht auf eine nderung dieser aus gelegt ist Es w re m glich
17. Formel 5 des Abschnitts 4 5 2 flie t die Stellung des Joysticks mit ein Ist die von der Joystickstellung geforderte Geschwindigkeit gr er als die tats chli che wird diese f r die Berechnung genutzt hnlich wird auch das Problem des an Hindernisse Heranruckelns gel st Daf r wird der in Abschnitt 4 4 beschrie bene Trick weiterentwickelt Um beim Praxistest das Verhalten der SamSa 4 5 Anderungen des Fahrverhaltens nach dem Praxistest 57 fetyLayer nutzen zu k nnen ohne dass sich der Rollstuhl immerzu festf hrt wurde dem Rollstuhl im Stand eine Geschwindigkeit von 30 simuliert Die se Geschwindigkeit wurde f r die Berechnung der maximal sicheren Geschwin digkeit verwendet und mit dieser verglichen Da dieser Trick jedoch erst eingesetzt wurde als der Rollstuhl schon das erste Mal zum Stehen kam und nur eine gerade Bewegung nach vorne oder hin ten ohne Ber cksichtigung von Lenkbewegungen simulierte traten Probleme auf Das erste Problem bestand darin dass es keinen flie enden bergang zwi schen einer leichten Bewegung des Rollstuhls und dem Stillstand des Rollstuhls gab Dies f hrte dazu dass wenn sich der Rollstuhl trotz der simulierten Ge schwindigkeit noch minimal in Richtung des Hindernisses bewegen durfte die Bewegungen erlaubt wurden Sobald sich der Rollstuhl bewegte wurden bei der Berechnung der maximal sicheren Geschwindigkeit wieder die echten Ge schwindigkeiten die die Sensoren
18. Hindernisse heranfahren kann ohne sich festzufahren Die Bewegung erfolgt nahezu gleichm ig und fast ohne eine Phase einer stotternden Bremsung Leichte Unregelm igkeiten in der Bewe gung lassen sich aufgrund der weichen Fahreinstellungen des HNF Rollands nicht v llig vermeiden In der Bremsbewegung gibt es in der Regel kurz vor dem Hindernis einen Punkt an dem die Geschwindigkeit stark reduziert wird bevor der Rollstuhl dann konstant auf den minimalen Abstand zum Hindernis f hrt Eindeutiger Beleg daf r dass dieses Verhalten an den weichen Fahrwer ten liegt ist dass dieses Verhalten beim Rolland III nicht auftritt wenn man ihn mit diesem Fahrverhalten betreibt Der Einsatz der Formeln 12 und 13 erm glicht es die Bewegungen zu repro duzieren es besteht also keine ersichtliche Differenz zwischen den Abst nden in denen der Rollstuhl vor einem Hindernis anh lt wenn zweimal auf das glei che Hindernis zugefahren wird Aus dem Stand und bei geringen Geschwindig keiten werden sofort die Bereiche auf Kollisionsfreiheit gepr ft die in Richtung des Joystickausschlages liegen Dadurch k nnen die zuvor beschriebenen Pro bleme nicht mehr auftreten Wird der Rollstuhl durch die Software vor einem 4 5 Anderungen des Fahrverhaltens nach dem Praxistest 61 Hindernis zum Stehen gebracht ist keine Bewegung mehr in Richtung des Hin dernisses m glich In Verbindung mit den in Abschnitt 4 5 2 beschriebenen nderungen des Bremsverh
19. L A KOREN Y SIMPSON R C BORENSTEIN J The NavChair Assistive Wheelchair Na vigation System In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation 7 1999 S 443 451 Literatur 95 Mandel u a 2006 MANDEL C FRESE U R FER T Robot Navigation based on the Mapping of Coarse Qualitative Route Descriptions to Route Gra phs In Proceedings of the IEEE RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems IROS 2006 2006 S 205 210 Mandel u a 2007 MANDEL C FRESE U ROFER T Design Improvements for Proportional Control of Autonomous Wheelchairs Via 3DOF Orientation Tracker In Proceedings of the 9th International Work Conference on Artificial Neural Networks IWANN 2007 Springer Berlin http www springer de 2007 Lecture Notes in Computer Science Mandel u a 2005 MANDEL C HUEBNER K VIERHUFF T Towards an Autonomous Wheelchair Cognitive Aspects in Service Robotics In Proceedings of Towards Autonomous Robotic Systems TAROS 2005 URL http www taros org uk 2005 S 165 172 Meyra 2005 MEYRA CHAMP Modell 1 594 CHAMP Lift Modell 1 594 27 CHAMPI Modell 1 594 603 Bedienungsanleitung Vlotho Germany Wilhelm Meyra GmbH amp Co KG September 2005 R fer 2003 ROFER Thomas An Architecture for a National RoboCup Team In Lecture Notes in Artificial Intelligence 2003 S 417 425 R fer 1997 R FER T Routemark Based Navigation o
20. Situation kommt in der jede Bewegung blockiert wird werden diese gespeicherten Hindernisse jedoch nach einer ge wissen Zeit wieder gel scht Um in die unbekannten Bereiche der toten Winkel fahren zu k nnen ohne die Gefahr von Kollisionen mit gr erem Schaden zu riskieren wird f r Fahr ten in unbekannte Bereiche eine maximale Geschwindigkeit definiert Dies ist besonders zu Beginn einer Fahrt n tig da jede Bewegung nach vorne durch un bekannte Bereiche f hrt Diese Tatsache resultiert aus den vorderen Lenkr dern die sich im Scanbereich der vorderen Laserscanner befinden und somit tote Win kel erzeugen 42 3 Software Abbildung 13 Die virtuellen Sensoren des Rolland III bei einer leichten Linkskurve Bild aus Mandel u a 2005 Die eingesetzte Gitterkarte zur Darstellung der lokalen Hindernissituation ent spricht in Gr e und Aufl sung der des Rollands II Auch der Ansatz bei Rota tionen des Rollstuhls nicht die Karte sondern den Rollstuhl innerhalb der Karte zu rotieren wurde bernommen Anders als beim Rolland II wird in den Kollisionstabellen nicht mehr die Ent fernung zwischen Rollstuhl und einem Hindernis gespeichert sondern eine vor berechnete maximal sichere Geschwindigkeit Dies erspart einen weiteren Re chenvorgang zur Laufzeit Die Kollisionstabellen enthalten die virtuellen Sensoren Diese geben die Zel len der Gitterkarte an die abh ngig von Geschwindigkeit und Lenkbewegung des Rollstuhls na
21. Um die 1 Norm des Vektors der simulierten Geschwindigkeit auf dem Wert der Geschwindigkeitsgrenze zu halten wird die vom Joystick geforderte Ge schwindigkeit auf die Geschwindigkeitsgrenze skaliert Dazu wird ein Faktor berechnet mit dem sowohl die rechte als auch die linke Geschwindigkeit die vom Joystick gefordert ist multipliziert wird 60 4 Evaluation des Fahrverhaltens Vlimit scale joystick ey d 1 V joystick e scale joystick Faktor mit dem die 1 Norm des vom Joystick geforderten Geschwindigkeitsvek tors auf vin skaliert wird VJoystick 7 1 Norm des Geschwindigkeitsvektors der vom Joystick gefordert wird Die Berechnungen der simulierten Geschwindigkeiten f r rechtes und linkes Rad ergeben sich damit wie folgt Vleftsimulated Vleftreal a Part joystick x scale joystick X Vie ft joystick 12 Vrightsimulated Vrightreal Part joystick x scale joystick X Vright joystick 13 Vieftsimulated f r die Berechnung der maximal sicheren Geschwindigkeit eingesetzte simu lierte Geschwindigkeit f r das linke Rad Vrightsimulated fiir die Berechnung der maximal sicheren Geschwindigkeit eingesetzte simu lierte Geschwindigkeit fiir das rechte Rad Die Berechnung der simulierten Geschwindigkeit nach dieser Formel und de ren Einsatz zur Berechnung der maximal sicheren Geschwindigkeit bei Unter schreitung der definierten Geschwindigkeitsgrenze vjjmir f hren zu einem Ver halten in dem der Rollstuhl sehr nah an
22. als interaktives Museumsexponat werden jedoch andere Anforderungen an das Fahrverhalten gestellt als an den Rolland II Zun chst wird das Fahrverhalten des Rolland HI beschrieben dann die zu erwartenden Probleme beim Einsatz in einem Museum Schlie lich wird die Evaluation beschrieben die zu dem eingesetzten Fahrverhalten f hrte Softwaretechnisch wird das Fahrverhalten in der Klasse HNFSafetyLayer um gesetzt Der Quellcode dieser Klasse findet sich im Anhang A 7 4 1 Die Fahrwerte des HNF Rollands Ein Unterschied welcher f r die Entwicklung des Fahrverhaltens entscheidend ist sind die Fahrwerte des HNF Rollands Damit ist die Umsetzung der Fahrbe fehle von Seiten des Meyra Champs gemeint F r den normalen Gebrauch eines Rollstuhls ist es vorteilhaft weiche ber g nge zwischen Fahrbefehlen zu realisieren Im Fall dass der Benutzer den Joy stick schnell vor und zur ck bewegt soll verhindert werden dass der Rollstuhl sich sehr ruckartig bewegt Die Leistung der Motoren w rde in diesem Fall aus reichen um eine unvorbereitete Person vom Rollstuhl zu werfen wenn Vor und R ckw rtsbewegungen in einem Abstand von unter einer Sekunde ausge f hrt w rden Gleiches k nnte passieren wenn der Rollstuhl aus dem Stand die maximale Motorenleistung benutzen w rde Um die Benutzer eines Rollstuhls nicht zu erschrecken oder gar zu verletzen werden nur Fahrwerte zur Einstellung angeboten die weiche berg nge zwi schen Fahrbefehle
23. erhalten W hrend der Rol land III jedoch darauf ausgelegt ist als Prototyp und Forschungsplattform ver schiedenen Anwendungen zu dienen dient der HNF Rolland nur einer wesent lichen Anwendung der Kollisionsvermeidung Beim HNF Rolland ist im Ge gensatz zum Rolland II eine starke Robustheit gefordert da in der Ausstellung Computer Medizin bis zu 800 Personen t glich den Rollstuhl testen k nnen 6 1 Einf hrung Abbildung 2 Das Heinz Nixdorf MuseumsForum Die vorliegende Arbeit beschreibt detailliert den Aufbau der Hard und Soft ware des HNF Rollands und insbesondere die Unterschiede zum Rolland III Der Nachbau und die Anpassung an die ver nderten Anforderungen stellt den praktischen Teil der Diplomarbeit dar Die Arbeit ist in f nf Kapitel gegliedert Im Anhang befinden sich Schaltpl ne Bauzeichnungen und Quellcode die f r den Aufbau des HNF Rolland n tig sind Beginnend wird Abschnitt 1 2 ein berblick ber das Projekt Bremer auto nomer Rollstuhl gegeben Dargestellt wird die Entstehung des Projekts und die bisher daraus hervorgegangenen Prototypen Anschlie end erfolgt in Abschnitt 2 die Beschreibung der Hardware des HNF Rollands Hierbei wird besonders auf die Unterschiede zum Rolland III einge gangen In diesem Abschnitt werden die Sensoren und der eingesetzte Com puter sowie die ben tigten Halterungen und die notwendige Stromversorgung dargestellt Der folgende Abschnitt 3 stellt die eing
24. ermittelten zugrunde gelegt Da diese ermit telte Geschwindigkeit nat rlich zun chst geringer als die simulierte war konnte sich der Rollstuhl ein deutliches St ck dem Hindernis n hern H tte der Roll stuhl von vornherein nur einen halben Zentimeter dichter am Hindernis gestan den h tte die simulierte Geschwindigkeit eine Bewegung unterbunden Dadurch entstanden Differenzen wie dicht man an ein Hindernis heranfahren konnte Diese lagen zwischen 5 und 15 Zentimetern Zur L sung dieses Problems wurde eine Geschwindigkeitsgrenze definiert Unterschreitet die von den Sensoren gemessene Geschwindigkeit diese Gren ze wird die von dem Joystick geforderte Geschwindigkeit anteilig auf die ech te Geschwindigkeit addiert so dass die simulierte Geschwindigkeit genau der Geschwindigkeitsgrenze entspricht Dadurch kann die f r die Berechnung der maximal sicheren Geschwindigkeit verwendete Geschwindigkeit niemals die definierte Grenze unterschreiten F r die Berechnung der maximal sicheren Geschwindigkeit wird also die reale Geschwindigkeit verwendet solange die se oberhalb der definierten Geschwindigkeitsgrenze liegt Liegt die reale Ge schwindigkeit unterhalb der Grenze wird die simulierte Geschwindigkeit ver wendet Durch diese Erweiterung des Tricks aus dem Praxistest ergeben sich kaum noch Differenzen wie nah man an ein Hindernis heranfahren kann Das zweite Problem das sich bei dem Trick der im Praxistest eingesetzt wurde
25. f r das Fahrverhaltens im Museum 4 4 Dererste Praxistest im HNF 4 4 1 Beobachtungen beim Praxistest 4 4 2 Auswertung des Praxistests 2 22 22 22 4 5 nderungen des Fahrverhaltens nach dem Praxistest 4 5 1 DasFestfahrproblem 4 5 2 DasBremsverhalten 22 2 Coon 4 5 3 Das Problem des Heranruckelns an Hindernisse 4 5 4 Die Probleme in der Rotationsbewegung 4 5 5 Die letzten nderungen vor der Auslieferung Das Fest fahrproblem IH Sn a ee 4 5 6 Die nderungen nach zwei Monaten Betrieb in der Aus stellung Computer Medizin 22 222 220 Fazit 5 1 Bewertung der Museumsbesucher und des Ausstellungskurators 5 1 1 Besucherbefragungen 2 2 2 22 2220 5 1 2 Bewertung des Kurators der Ausstellung Compu ter Medizim vem a Sirsa ee ee ae eng 5 2 Ausblick a 4 0 2 u nee np lee ep tet 3 3 HEinsetzbatkeit u G28 4 22 82 Br been 5 44 Zusammenfassung wa a ee 5 5 Danksagungen 4 4 34 42 222 32438 a u A Anhang A l A 2 A 3 A4 A 5 A 6 A 7 Schaltplan des Steuerungs und Watchdogmoduls Zeichnungen der Laserscannerhalterungen Schaltplan des Odometriemoduls von Christoph Budelmann Bedienungsanleitung des HNF Rollands Konfiguration des Betriebssystems Konfiguration des RTLinux Kernels 2 2 2 2 2 HNFSafetyLayer Quellcode 2 22220 Literatur Abbildung
26. leicht So wer den keine Dioden an den Sensorausg ngen der MiniCoder ben tigt weil sich die Signalausg nge eines offenen Kollektors problemlos parallel schalten lassen Die MiniCoder des HNF Rollands werden bewusst mit offenem Kollektor be stellt da sich hierdurch die Schaltung vereinfacht Dies hat jedoch den Nachteil dass f r den Rolland III und den HNF Rolland nicht dieselbe Schaltung verwen det werden kann Im Nachhinein w re es von Vorteil gewesen die Schaltung genau wie beim Rolland III zu gestalten da jeder Unterschied eine m gliche Fehlerquelle darstellt Der Schaltplan der neuen Elektronik zur Aufnahme der Sensorsignale und deren Umsetzung befindet sich im Anhang A 3 2 6 Stromversorgung und Inbetriebnahme der Hardware Alle Strom ben tigenden Module sind soweit m glich innerhalb des Batterie kastens befestigt Ausnahmen stellen die Laserscanner dar Die Odometriesen soren sind wie in Abschnitt 2 5 beschrieben hinter den R dern angebracht Sie erhalten ihre Stromversorgung durch die Schaltung zur Erfassung der Sensorsi gnale Dieses Modul befindet sich innerhalb des Batteriekastens Abbildung 11 zeigt die Anordnung der Module innerhalb des Batteriekastens Alle Kabel die au erhalb verlaufen sind mit Kabelbindern eng und soweit wie m glich auf der Innenseite des Rahmens des Meyra Champ verlegt Dies ist besonders wichtig da bei der hohen Benutzerzahl im Museum davon ausgegangen werden kann dass sich einige Besuc
27. m glich sondern auch empfehlenswert Als besonders wichtig wurde die L sung des Festfahrproblems erachtet Es wurde davon ausgegangen dass ein Benutzer keinerlei Verst ndnis daf r hat dass eine Bewegung von einem Hindernis weg unterbunden wird Als einziger Ansatz zur L sung dieses Problems wurde zu diesem Zeitpunkt eine nderung der virtuellen Sensoren erdacht F r eine Best tigung dieser Vermutungen wurden Testpersonen beobachtet die den HNF Rolland mit dem Fahrverhalten der SAMSafetyLayer testeten Die Beschreibung der Beobachtungen und die daraus resultierenden nderungen des Fahrverhaltens finden sich in den Abschnitten 4 4 und 4 5 4 4 Der erste Praxistest im HNF Um notwendige nderungen am Fahrverhalten der SAMSafetyLayer zu er kennen wurden die Sch ler zweier Schulklassen beim Praxistest der Ausstel lung Computer Medizin im Heinz Nixdorf MuseumsForum beobachtet Sie konnten den HNF Rolland schon vor Beginn der Ausstellung testen Das ein gestellte Fahrverhalten war das der SAMSafetyLayer Ge ndert wurden bis zu diesem Zeitpunkt lediglich die Kollisionstabellen die auf die Fahrwerte des HNF Rollands umgerechnet wurden Au erdem wurde das Heranfahren an ein Hindernis nach einer Vollbremsung verhindert Dazu ging die Software beim Stillstand des Rollstuhls von einer Geschwindigkeit von 30 aus Je nach Stand des Joysticks wurde die Geschwindigkeit als Vorw rts beziehungsweise R ckw rtsbewegun
28. nun Laserscanner eingesetzt welche eine gr ere Genauigkeit 12 1 Einf hrung Kamerasystem Laptop Net ausschalter Laserscanner Odormetrie Abbildung 5 Der Rolland III Bild aus Mandel u a 2005 der Ortsbestimmung von Hindernissen und Landmarken zulassen Der Rollstuhl selbst ist durch eine andere Kinematik sehr viel wendiger Die Anwendungen wurden weiter verbessert nicht zuletzt durch die h here Ortsaufl sung und eine bessere Odometrie Bis heute ist der Rolland III die aktuelle Testplattform des Projekts Bremer Autonomer Rollstuhl Es wurden und werden neue Anwen dungen daf r entwickelt und evaluiert So zum Beispiel die Sprachsteuerung und die Benutzung neuer Eingabemethoden zur Steuerung Als Plattform f r den Rolland III dient der handels bliche Rollstuhl Champ Modell 1 594 des Herstellers Meyra Im Gegensatz zu den f r Rolland I und II verwendeten Rollst hlen verf gt der Champ ber einen Differentialantrieb Es k nnen die hinteren beiden R der mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden Aus der Differenz der Geschwindigkeiten der beiden R der ergibt sich die Lenkbewegung Durch diesen Antrieb ist es m glich den Rollstuhl auf der Stelle zu drehen wenn sich die Antriebsr der gegenl ufig be wegen Die vorderen R der sind auf einer senkrechten Achse gelagert wodurch Lenkbewegungen in jeder Richtung nachgegeben werden kann Ihre Aufh n gung entspricht der Aufh ngung
29. www springer de 1998 Lecture Notes in Artificial Intelli gence 1404 S 373 397 Lankenau und R fer 2000 LANKENAU A ROFER T Smart Wheelchairs State of the Art in an Emerging Market In Kiinstliche Intelligenz Schwer punkt Autonome Mobile Systeme 2000 Nr 4 S 37 39 Lankenau und R fer 2001 LANKENAU A ROFER T A Safe and Versa tile Mobility Assistant In Reinventing the Wheelchair IEEE Robotics and Automation Magazine 8 2001 Nr 7 S 29 37 Lankenau und R fer 2002 LANKENAU A R FER T Mobile Robot Self Localization in Large Scale Environments In Proceedings of the IEEE Inter national Conference on Robotics and Automation 2002 ICRA 2002 IEEE 2002 S 1359 1364 Lankenau u a 2003 LANKENAU A R FER T KRIEG BRUCKNER B Self Localization in Large Scale Environments for the Bremen Auto nomous Wheelchair In FREKSA C Hrsg BRAUER W Hrsg HA BEL C Hrsg WENDER K F Hrsg Spatial Cognition III Springer http www springer de 2003 Lecture Notes in Artificial Intelligence 2685 S 34 61 Lenord Bauer 2002 LENORD BAUER GEL 248 MiniCODER Betriebs anleitung Oberhausen Germany Lenord Bauer amp Co GmbH Januar 2002 Leuze_electronic 2001 LEUZE_ELECTRONIC Fl chendeckender Distanz sensor rotoScan ROD 4 Technische Produktbeschreibung Owen Teck Ger many Leuze electronic GmbH Co KG 2001 Levine u a 1999 LEVINE S P BELL D A JAROS
30. zeigt ergibt sich aus der Tatsache dass die Lenkbewegung in der Si mulation nicht ber cksichtigt wird Es werden nur gerade Vorw rts und R ck 58 4 Evaluation des Fahrverhaltens w rtsbewegungen simuliert Da es m glich ist dass der Rollstuhl nicht kollisi onsfrei gerade nach vorne fahren kann aber eine Bewegung nach vorne links m glich ist kann es passieren dass so Bewegungen unterbunden werden die eigentlich kollisionsfrei realisierbar w ren Schlimmer ist der umgekehrte Fall in dem es sein kann dass eine Bewegung gerade nach vorne m glich ist nicht aber eine geforderte Bewegung nach vorne rechts Da nur gerade Bewegungen simuliert werden w rde die Rechtskurve auf Grund der falschen Simulation zugelassen Normalerweise sollte diese so fort unterbunden werden sobald sich der Rollstuhl bewegt und nicht mehr die simulierte Geschwindigkeit zur Berechnung der maximal sicheren Geschwin digkeit verwendet wird Aufgrund der weichen Fahrwerte des HNF Rollands sind in diesem Fall jedoch Kollisionen m glich Zur L sung des Problems m ssen also die Lenkbefehle des Joysticks mit in die Simulation einflie en Um dies zu erl utern muss zun chst klargestellt wer den wie Lenkbewegungen dargestellt werden Bisher wurden in allen Formeln nur Geschwindigkeiten nicht jedoch Lenkbewegungen beschrieben Dies er folgte der Einfachheit halber Da der Meyra Champ ber einen Differenzialan trieb verf gt ergibt sich die Lenkbewegu
31. 0 15 Noten Insgesamt gab es bessere Noten fiir den Zweck eines Rollstuhls mit Kollisionsvermeidung als fiir das Exponat selbst Daran und an den sehr guten Noten fiir die Idee des Rollands erkennt man dass der praktische Nutzen solcher Rollstiihle gut erfasst und verstanden wird 5 1 2 Bewertung des Kurators der Ausstellung Computer Medizin Viereinhalb Monate nach Beginn der Ausstellung im Heinz Nixdorf Museums Forum zum Termin der zweiten Besucherbefragung wurde auch der Kurator der Ausstellung um eine Stellungnahme zum HNF Rolland gebeten Er nannte das Exponat eines der Highlights der Ausstellung Es ist nach seinen Angaben eines der meist genutzten interaktiven Exponate der Ausstellung Die Besucher nehmen es gerne an und interessieren sich f r den Hintergrund Dar ber hinaus sagte er dass zahlreiche Besucher fragen ob oder wann solche Rollst hle bei Menschen mit Behinderungen eingesetzt w rden Diese Besucher zeigten sich auch an der Weiterentwicklung interessiert und daran wie lange diese voraussichtlich dauern wird Besonders hob der Kurator hervor dass nach anf nglichen Problemen der HNF Rolland nun zu den zuverl ssigsten Exponaten der Ausstellung geh re Es ist eines der wenigen Exponate die kaum Probleme bereiten berichtete er Nach Angaben des Kurators besuchen durchschnittlich 800 Besucher t glich die Ausstellung am Tag der offenen T r waren es 4 000 Insgesamt hatten bis Ende M rz 2007 zirka 65 000
32. 18 Vereinfachte Darstellung des Problems mit Pylonen Roter Kreis Erkanntes Hindernis wei er Kreis das echte Hindernis auf Bodenh he darin dass die Laserscanner Hindernisse nur auf einer H he von ca 10 Zenti metern erkennen Die Verkehrspylonen sind jedoch in 10 Zentimetern H he be reits schmaler als auf dem Boden So halt der HNF Rolland vor den erkannten Hindernissen an befindet sich jedoch bereits in einer Kollision mit den tieferen Bereichen der Verkehrspylonen Abbildung 18 veranschaulicht dieses Problem Es wurde nach einer L sung gesucht die es trotzdem erm glicht eng an Hin dernissen vorbeifahren zu k nnen Es sollten zum Beispiel T ren die unwe sentlich breiter als die Ausma e des Rollstuhls sind weiter durchfahren wer den k nnen Als jedoch keine ad quate L sung gefunden werden konnte wurde entschieden die intern gespeicherten Ausma e des Rollstuhls so zu vergr ern dass der Abstand zwischen erkannten Hindernissen und dem Bodenbereich der Verkehrspylonen durch die gr eren Ausma e des Rollstuhls abgedeckt ist Die intern gespeicherten Ausma e wurden so um knapp zwei Zentimeter zu allen Seiten vergr ert 4 5 Anderungen des Fahrverhaltens nach dem Praxistest 67 Diese L sung schr nkt selbstverst ndlich die Bewegungsfreiheit des Roll stuhls ein Wie bereits erw hnt m ssen zum Beispiel T ren die gerade noch durchfahren werden k nnen nun vier Zentimeter breiter sein Da auf der Test fl che
33. 5 Ix x Below this speed each wheel individually we are allowed to move through unknown region define UNKNOWN_REGION MAX SPEED 150 88 A Anhang HNFSafetyLayer HNFSafetyLayer const SafetyLayerInterfaces amp interfaces SafetyLayer interfaces brakingModel AXLE_WIDTH ROTATION_DISTURBANCE TRANSLATION_DISTURBANCE PROPORTIONAL_DECELERATION COULOMB_DECELERATION LATENCY MAX_SPEED LAMBDA_VS MAX_BACKWARD_SPEED LAMBDA_VS MAX_ROTATION_SPEED LAMBDA_VS WHEEL_SPEED_DISCRETIZATION_ERROR plotter 0 dist2 0 ASSERT HARD _LAMBDA lt LAMBDA_VS amp amp LAMBDA _VS lt LAMBDA_CUTOFF amp amp LAMBDA_CUTOFF lt SOFT_LAMBDA isBraking isSafetyBraking false hasStopped true hasStopped false hasBeenMovingFast false scts createOrLoad Pose2D 0 0 0 robotShape brakingModel CELL_SIZE targetSpd 0 vDeltal 0 lastCmdScale 1 showVL showVR 0 worstPose OdometryPose worstMaxSpd 100000 commandIsNonzeroSince INT_MAX odometryBroken false showWhichCollisionTable SHOW_CURRENT wheelchairInactiveUntil 0 Returns a threshold for evidence grid cells to be considered empty Depends on the speed so as faster you go the higher the possibility must be that the cell must is empty int HNFSafetyLayer gridThreshold double spd We had the phenomen that the unobserved region below the wheelchair becomes to uncertain for the wheelchair to move Ix int
34. Abschnitt Fehlermeldungen Ausschalten Schalten Sie einfach den Hauptschalter aus Die Kontrollleuchter der Laserscanner der L fter des Computers und das Bedienmodul gehen sofort aus Fehlermeldungen Der Rolland ist so konfiguriert dass es nicht m glich ist zu fahren wenn ein Fehler vorliegt Die Fehler und Kontrollmeldungen des Rolland sind 1 Ein Ert nen der Hupe ca eineinhalb Minuten nach dem Bet tigen des Hauptschalters deutet darauf hin dass keine Fehler vorliegen Dieses Signal ert nt auch wenn die Daten bertragung zwischen Computer und Bedienmodul nach einer St rung wiederhergestellt wird 2 Einschalten der Beleuchtung des Rolland weist darauf hin dass der Computer keine Daten von den Bewegungssensoren empf ngt In diesem Fall sollten Sie die Verkabelung des Bewegungssensormoduls berpr fen 3 Blinken des linken Blinkers deutet auf ein Problem mit dem vorderen Laserscanner hin Sollte der rechte Blinker blinken so gibt es ein Problem mit dem hinteren Laserscanner In diesem Fall sollten Sie bei abgeschaltetem Hauptschalter zun chst die Scheibe des betroffenen Laserscanners reinigen Liegt das Problem weiterhin vor berpr fen Sie bitte die Verkabelung des jeweiligen Laserscanners 4 Sollte sich das Bedienmodul zwei Minuten nach dem Bet tigen des Hauptschalters nicht A 4 Bedienungsanleitung des HNF Rollands 83 einschalten konnte der Computer nicht booten oder es gibt ein Problem mit dem
35. Aufbau und Inhalte dieser Arbeit Diese Diplomarbeit besch ftigt sich mit dem Nachbau des Rolland III welcher die aktuelle Forschungsplattform des Projekts Bremer autonomer Rollstuhl dar stellt Der Rolland IHI ist ein elektrischer Rollstuhl der durch zus tzliche Hard ware zu einem Roboter umgebaut ist Im Projekt Bremer autonomer Rollstuhl werden Rollst hle entwickelt die Menschen mit Behinderungen helfen sollen einen Rollstuhl zu bedienen Da bei zielt der Einsatzzweck auf Menschen die durch ihre Behinderung keinen normalen elektrischen Rollstuhl bedienen k nnen Dies k nnen Menschen sein die Probleme mit der Feinmotorik haben und einen Rollstuhl nicht kollisionsfrei steuern k nnen aber auch Menschen die durch ihre Behinderung gar nicht in der Lage sind einen Rollstuhl mit einem Joystick zu lenken Nachgebaut wurde der Rolland III f r die Ausstellung Computer Medizin Abbildung 1 die zun chst im Heinz Nixdorf MuseumsForum in Paderborn gastiert Abbildung 2 Dort wird der Rolland II als interaktives Museumsexpo nat ausgestellt Von den Anwendungen des Rolland III wird in der Ausstellung nur die softwaregest tzte Kollisionsvermeidung demonstriert Weil das Museumsexponat sich in vielen Punkten von dem Rolland IH unterscheidet wird es zur besseren Unterscheidung in dieser Arbeit HNF Rolland f r Heinz Nixdorf MuseumsForums Rolland genannt Der grunds tz liche Aufbau und die verwendeten Sensoren bleiben
36. Champ Steuerungsmodul In diesem Fall schalten Sie den Hauptschalter aus und schalten ihn ca zwei Minuten sp ter wieder ein Sollte das Problem weiter vorliegen berpr fen Sie die Verkabelung des Champ Steuerungsmoduls und den Halt des USB Sticks im USB Anschluss Kollisionsvermeidung Der Rolland verhindert das Kollidieren mit Hindernissen Daf r werden Fahrbefehle die zu einer Kollision f hren w rden nicht ausgef hrt Sollte die gew nschte Fahrtrichtung mit einer geringeren Geschwindigkeit m glich sein wird der Fahrbefehl mit verringerter Geschwindigkeit ausgef hrt Vor Hindernissen wird zun chst stark gebremst dann ist ein langsames Heranfahren m glich Daf r k nnen Sie dauerhafte Fahrbefehle auf das Hindernis zu ausf hren Joystick in Richtung des Hindernis dr cken Hinweise Die beiden Laserscanner haben einen Messbereich von 190 nach vorne bzw hinten Sie nehmen nur Hindernisse innerhalb ihres Messbereichs in einer H he von ca 5 10cm wahr Hindernisse die h her oder tiefer liegen werden nicht erkannt Zum Beispiel werden bei Tischen nur die Beine nicht aber die Tischplatte wahrgenommen Prinzipbedingt k nnen die Laserscanner nur Hindernisse erkennen die innerhalb ihres Messbereichs liegen und nicht von Teilen des Rollstuhls selbst verdeckt sind d h insbesondere den vorderen R dern Die vorderen Lenkr der verhindern je nach Stand den Blick des vorderen Laserscanners zu Teilen der Seitenbereiche
37. MuseumsForum danken der vor Ort mein erster Ansprechpartner war und dem es haupts chlich zu verdan ken ist dass der HNF Rolland ausgestellt wird Au erdem danke ich allen Bremer Mitarbeitern des DFKI die mich in vielen Bereichen unterst tzten 76 A Anhang A Anhang A 1 Schaltplan des Steuerungs und Watchdogmoduls GND GND GND GNOD 9 1JP3 c1 c2 cs F 100 100nT 0 n nf 10 GNO 10y vsus L1 o Slor of T GND TP4 100n not mounted PA2 RESET OW PD6 ICP POSOCOBIT 2 PD4 TO PDXINT1 BC817 40SMD PA1 XTAL2 PD2 CKOUT XCK INTO PDI TXD PAQ XTAL1 PDO RXD TOTMANN Ta Ti 4 9152 p GND GND 22p GND PB7 USCKISCKiPCINT on PB6 MISO DO PCINTS PBS MOSLDLSDAIPCINTS BC817 40SMD PBALOCABIPCINTA PB3 OC 1AiPCINT3 PB2 OCOAIPCINT2 PBWAINTOIPCINT1 PBD AINGIPCINTO GND 2 z oO vec m 8 5 Abbildung 20 Schaltplan des Steuerungs und Watchdogmoduls von Christoph Budelmann A 2 Zeichnungen der Laserscannerhalterungen 77 A 2 Zeichnungen der Laserscannerhalterungen Alle Angaben in mm 55 ALE 35 i Abbildung 21 Manschetten zum Befestigen der Laserscannerhalterungen 78 A Anhang 00 Abbildung 22 Laserscannerhalterung vorne A 2 Zeichnungen der Laserscannerhalterungen 79 250 Abbildung 23 Laserscannerhalterung hinten 80 A Anhang A 3 Schaltplan des Odometriemoduls von Christoph Budelmann
38. Umsetzung und Evaluation eines mit Laserscannern gesicherten Rollstuhls als interaktives Museumsexponat Diplomarbeit an der Universit t Bremen Fachbereich Mathematik und Informatik Arbeitsgruppe von Prof Dr Bernd Krieg Br ckner Jost Gollub Betreuer Dr Udo Frese Dr Thomas R fer Gutachter Dr Udo Frese Prof Dr Bernd Krieg Br ckner Inhaltsverzeichnis 1 Einf hrung 5 1 1 Aufbau und Inhalte dieser Arbeit 22 220220 5 1 2 Das Projekt Bremer autonomer Rollstuhl 7 121 Der RoWand 1 2 ico acs She ak es ee ee E 7 1 2 2 DerRellandE u 2 2 ben 2 2 ra 10 1 2 3 Der Rolland I x 4 2 22 2 usa la a ur 11 1 2 4 Der HNF Rolland 22 ee 2 4 224 2 13 2 Hardware 15 2 1 Der Rollstuhl Meyra Champ von Meyra 15 2 1 1 Bauliche Ver nderungen am Meyra Champ zum siche ren Einsatz als Museumsexponat 16 2 1 2 Bedienmodul des Meyra Champ 18 2 1 3 Der CAN BUS aA ee ae ee ende 19 2 14 Der T tmann Sch lter 6 46066 Se ee ee des 19 2 2 Der Watchdog das Steuerungsmodul 20 2 3 Der Computer MSM855 von Digital Logic 21 2 3 1 Befestigung des MSM855 22 2 3 2 Belegung der Schnittstellen des MSM855 im Ausliefe r ngszustand 4 4 a a ee Se aa a de 23 2 4 Die Laserscanner rotoScan ROD 4 von Leuze electronic 23 2 4 1 Technische Beschreibung der Laserscanner 24 2 4 2 Halterungen der Laserscann
39. altens ist es m glich auf einen Abstand von unter zwei Zentimetern an ein Hindernis heranzufahren Dabei entsteht weder die Gefahr von Kollisio nen noch tritt das Problem des Festfahrens auf F r Letzteres sind auch die in Abschnitt 4 5 1 beschriebenen nderungen der virtuellen Sensoren verantwort lich 4 5 4 Die Probleme in der Rotationsbewegung Wie in Abschnitt 4 4 1 bereits erw hnt wurde l sst sich das Festfahren in der Rotationsbewegung auf freier Fl che darauf zur ckf hren dass der Blindbe reich in dem sich die vorderen Lenkr der befinden nicht ausreichend gro war Bei ung nstigem Stand der Lenkr der wurden diese von den Laserscannern als Hindernisse innerhalb der Ausma e des Rollstuhls erkannt und eine Vollbrem sung eingeleitet Um dieses Problem zu l sen wurden die Blindbereiche etwas vergr ert woraufhin dieses Problem nicht mehr auftrat Ein weiteres Problem das in Abschnitt 4 4 1 beschrieben wird ist das der Rotationskollisionen Diese finden statt da die weichen Fahrwerte des HNF Rollands in der Rotation deutlich st rkere Beschleunigungen zulassen als bei ge raden Fahrbewegungen Wird eine starke Beschleunigung befohlen und durch die Erkennung eines Hindernisses sofort eine Vollbremsung eingeleitet macht der Rollstuhl in jedem Fall mindestens eine sechstel Drehung bevor er zum Stehen kommt Es war demnach dringend erforderlich die Rotationsbewegung deutlich lang samer und weicher zu gestalten E
40. ammt urspr nglich aus den Arbeiten mehrerer Robocup Teams 2002 wurde es f r die Weltmeisterschaft der Sony legged League in Fukuoka unter dem Namen GT2002 R fer 2003 vom German Team entwickelt Es wurde ben tigt da sich f r die Weltmeisterschaft f nf deutsche Universit ten zusammenschlossen Bei den German Open 2002 wa ren sie noch gegeneinander angetreten Dieses Ph nomen besteht weiter die deutschen Universit ten schlie en sich f r Weltmeisterschaften zusammen und 36 3 Software treten in kleineren Turnieren gegeneinander an auch wenn sich inzwischen ein zelne Universit ten aus dem GermanTeam verabschiedeten und ihr Gl ck auf eigene Faust suchen Die Software GT2002 wurde mit dem Ziel entwickelt dass die st rksten Mo dule der einzelnen Universit ten miteinander kombinierbar werden um die bes te Performance bei der Weltmeisterschaft zu erzielen Es wurden feste Schnitt stellen zwischen den Modulen und ein allgemeines Weltmodell definiert So ist es m glich die Module f r Sensorik Aktuatorik und Verhaltenssteuerung der verschiedenen Universit ten zu kombinieren und auszutauschen Des Weiteren wurde ein Simulator und eine Debug Queue definiert die es erm glichen Co de ohne Roboter auf einem PC zu testen beziehungsweise Debug Ausgaben zu machen Au erdem wird erm glicht Log Dateien zu schreiben sowohl w h rend des Betriebs als auch in der Simulation Diese Log Dateien erm glichen ein Log File Replay
41. annt als festgestellt wurde dass das Steuerungs modul und der Watchdog nicht mehr funktionierten Auch dann ben tigte es einige Zeit bis der Fehler genau analysiert war Erst als der USB Stecker des Steuerungsmoduls im laufenden Betrieb herausgezogen wurde und daraufhin der Computer ohne Vorwarnung ausging konnte das Problem erkannt werden Das Steuerungsmodul und der Watchdog wurden dabei besch digt Die Masse des USB Ports ist zwar auf Stromversorgung ausgelegt nicht jedoch die Masse einer seriellen Verbindung Diese ist nur dazu gedacht den Stromkreis der Si gnalleitungen zu schlie en Da im Steuerungsmodul ein USB Seriell Konverter eingebaut ist lief zuviel Strom ber die Masse der seriellen Verbindung Das Modul musste daraufhin ausgetauscht werden Ein anderes Problem welches sich ebenfalls auf die Masseschleife zur ck 2 7 Masseschleife als besondere Schwierigkeit 31 f hren l sst bestand beim Odometriemodul Durch einen Fehler im Schaltplan wurde die Masse der seriellen Verbindung des Computers mit der Phase der Stromversorgung des Odometriemoduls verbunden Dieses Modul wurde lan ge an Labornetzteilen getestet bevor es in den HNF Rolland eingebaut wurde Da die Masse des Labornetzteils galvanisch von der Masse des Computers und damit von der Masse des seriellen Ports isoliert ist und es somit im Test zwei verschiedene Massen f r Computer und Stromversorgung des Odometriemoduls gab verursachte dieser Fehler im Test
42. art start if rStart speedNorml 0 rStart speedLeftWheel rStart speedRightWheel 1 brakingModel maxSpeedVector rStart speedLeftWheel rStart speedRightWheel ct create rStart robotShape brakingModel evidenceGrid cellSize ct decode grid start grid colorMask 0x00ff00 INFO send_collisionTable idCollisionTable bin grid if usePrecomputed showWhichCollisionTable SHOW_NOTHING 93 Literatur Bell u a 1994 BELL D A BORENSTEIN J LEVINE S P KOREN Y JAROS J An assistive navigation system for wheelchairs based upon mobilerobot obstacle avoidance In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation 3 1994 S 2018 2022 B hlmeier u a 1996 BUHLMEIER A MANTEUFFEL G ROSSMANN M GOSER K Robot Learning in Analog Neural Hardware In Artifici al Neural Networks ICANN 96 Proceedings Lecture Notes in Computer Science 1112 1996 S 311 316 B hlmeier und Herwig 1995 BUHLMEIER Andreas HERWIG Christoph Analog neural networks and behavior based In ZKW Bericht 7 1995 Borenstein und Koren 1991 BORENSTEIN J KOREN Y The vector field histogram fast obstacle avoidance for mobile robots In JEEE Transactions on Robotics and Automation 7 1991 Nr 3 S 278 288 Digital Logic 2000 DIGITAL LOGIC Technical User s Manual for Micro space PC 104 plus smartModule855 MSM855 Luterbach Switzerland Digital Logic
43. azu kommt dass je des Modul ber Signalleitungen mit dem Computer verbunden ist Jede dieser Signalleitungen besitzt ebenfalls eine Masse die jeweils nur eine parallelge schaltete Masse der Batterie ist Besonders die Signalleitungen sind nur auf sehr geringe Stromst rken ausgelegt Somit gibt es in den meisten Modulen eine Querverbindung zwischen der Masse der Signalleitungen und der Masse der Stromversorung die logisch gesehen alle die Masse der Batterie darstellen Es bleibt zu erw hnen dass wenn jedes Modul richtig angeschlossen ist keine Probleme entstehen Es trat jedoch der Fall auf dass w hrend der Aufbauphase des Rollstuhls eine L tstelle brach ber diese L tstelle war der Computer an die Masse der Roll stuhlbatterien angeschlossen Dieser Fehler wurde zun chst nicht erkannt da der Computer einwandfrei funktionierte Es sollte vermutet werden dass ohne Anschluss an die Masse der Stromkreis des Computers unterbrochen ist und er sich somit nicht mehr betreiben lie e Durch die Masseschleife des Systems war es dem Computer jedoch m glich die ben tigte Masse durch den USB Port und das Steuerungsmodul zwischen Computer und Bedienmodul zu beziehen So lief der Strom nicht wie vorgesehen ber die Phase des Netzteils in den Com puter und ber die Masse des Netzteils wieder hinaus sondern ber die Phase des Netzteils herein jedoch dann ber den USB Port direkt in die Masse des Bedienmoduls Dieser Fehler wurde erst erk
44. bei Bewegungen des Rollstuhls die vorbeilaufenden Z hne dieser Zahnr der z hlen 26 2 Hardware kann Dadurch werden die Bewegungen der Antriebsr der erkannt und ebenso die daraus resultierenden Bewegungen des Rollstuhls Dazu werden Magnetsensoren von Lenord Bauer MiniCoder GEL 248 Lenord Bauer 2002 verwendet Diese sind nach Herstellerangaben darauf ausgelegt f r Drehzahl und Positionsmessungen an Getrieben Motoren F r deranlagen und Maschinen verwendet zu werden Beim Rolland werden f r diesen Einsatz auf der hinteren Achse des Meyra Champ auf jeder Seite ein Stirnzahnrad aus Stahl ohne Narbe mit 124 Z hnen und 10 mm Zahnbreite montiert In einem Abstand von 0 1 0 5 mm werden die MiniCoder angebracht Da der Meyra Champ ber einen Differentialantrieb die Lenkung realisiert l sst sich mit der Bewegungserfassung beider Antriebsr der die Geschwindigkeit und die Drehung des HNF Rollands ermitteln Die Bewe gungen des Rollands lassen sich so im Millimeterbereich erkennen Durch eine Stellung der vorderen Lenkr der die nicht der Fahrtrichtung ent spricht sowie durch rutschige Bodenbel ge k nnen sich Fehlmessungen erge ben 2 5 1 Technische Beschreibung der Odometriesensoren und deren Signalaufnahme F r die Ausgangssignale haben die MiniCoder jeweils zwei Signalleitungen eine zur Geschwindigkeits und eine zur Richtungserkennung Die MiniCoder werden ber Zahnr dern Schlitzscheiben oder Zahnstangen monti
45. bgeriegelt Kurvenfahrten k nnen Abweichungen zur Folge haben Hingegen hat der Rolland II ein spezielles Patch der Meyra Software so dass auch Geschwindigkeiten ber 7 im erreicht werden k nnen Der Meyra Champ kann leichte Steigungen und Gef lle berwinden sowie Stufen oder Bordsteine hoch und herunter fahren Der Rolland ist wegen den Umbauma nahmen nur f r den Indoorbereich geeignet Das berfahren von Steigungen Gef llen und Stufen ist nicht beziehungsweise nur sehr einge schr nkt m glich Die Begrenzung auf den Indoor Bereich resultiert daraus dass die Anschl sse der Laserscanner trotz Spritzwasserschutz empfindlich auf N sse reagieren k nnen und die Messzahnr der bei h ufigem Wasserkontakt rosten Das berfahren von Stufen wird eingeschr nkt da die Bodenfreiheit durch die Halterungen der Laserscanner beeintr chtigt wird und somit ein weit gehend ebener Boden unabdingbar ist Tabelle 1 zeigt die Auswirkungen der Umbauma nahmen auf die Ausma e und das Gewicht des Rollstuhls Die L ngenangaben sind inklusive Fu st tzen die Breite h ngt von den Einstellungen der Armlehnen ab Von den Ausma en wird lediglich die L nge durch die Umbauma nahmen beeinflusst Der hintere Laserscanner ragt beim HNF Rolland ca 1 2 cm ber die Grundfl che des Rollstuhls hinaus der Laserscanner des Rolland III 5 6 cm Des Weiteren hat der HNF Rolland eine spezielle Polsterung der Fu st tzen die 16 2 Hardware Model Lange
46. ch Hindernissen durchsucht werden m ssen Abbildung 13 zeigt in gr n diese Zellen Die Aufnahme der virtuellen Sensoren wurde auf dem Rolland III gemacht als dieser eine Linkskurve in m iger Geschwindig keit fuhr Wie auch beim Rolland I ben tigt der Einsatz der Kollisionstabellen verh lt nism ig viel Arbeitsspeicher So sind beim HNF Rolland die Kollisionstabel len 3 31 MB gro Es ist jedoch eine bliche Vorgehensweise eine Ersparnis an Berechnungen zur Laufzeit auf Kosten von Arbeitsspeicher zu realisieren F r die Berechnung der Kollisionstabellen werden die Ausma e des Roll stuhls und seine Fahreigenschaften verwendet Zu diesen geh ren unter anderem die maximale Geschwindigkeit die Drehgeschwindigkeit die Latenzzeit zwi schen Fahrbefehlen und deren Ausf hrung die maximale Bremswirkung sowie die maximale Beschleunigung Wie bereits erw hnt sind diese Werte beim Rolland II und dem HNF Rolland 3 5 nderungen im Protokoll des Bedienmoduls 43 nicht gleich Der HNF Rolland hat weichere Fahreigenschaften aus denen eine kleinere H chstgeschwindigkeit und eine kleinere Bremswirkung resultieren Auch die Ausma e sind nicht identisch wie in Abschnitt 2 1 beschrieben wird Daraus geht hervor dass die Kollisionstabellen f r den HNF Rolland neu be rechnet werden mussten Im Prinzip war es nicht n tig das Programm zu ver ndern Wie in Abschnitt 4 5 1 beschrieben wird gab es jedoch einige Probleme mit den Kollision
47. d Hinten befindet sich eine Lenkachse ber die die Fahrtrich 8 1 Einf hrung mm TIL J Abbildung 3 Der Rolland I Bild aus R fer 1997 tung gesteuert wird Die Kinematik funktioniert damit wie bei einem Auto das r ckw rts f hrt Als zus tzliche Hardware wurde in den Meyra Modell 3 422 ein Pentium 100 Computer eingebaut Zur Raumerfassung dienen sechs Infrarotsensoren zw lf Ultraschallsensoren und eine Kamera Des weiteren wurden 12 Sto abweiser montiert Diese dienen auch als Kontaktsensoren F r die Bewegungssensorik wird die rollstuhleigene Odometrie eingesetzt die sich an der Vorderachse be findet Da es m glich ist den Ausschlag der Lenkachse auszulesen ist es dem Computer bzw der Software m glich sowohl Geschwindigkeit als auch die Bewegungsrichtung zu ermitteln Zur Befestigung der zus tzlichen Hardware umgibt ein Rahmen den Roll stuhl an allen Seiten sogar ber dem Kopf des Fahrers befindet sich eine Stange zur Befestigung der Kamera Dadurch werden die Ausma e des Meyra Modell 3 422 stark zu allen Seiten vergr ert Es kommen zwei verschiedene Arten Ultraschallsensoren zum Einsatz Acht von ihnen haben einen Scanbereich von 80 vier von ihnen scannen nur einen Bereich von 7 Die Infrarotsensoren haben nur eine Reichweite von 15 cm und k nnen Hindernisse nur erkennen nicht aber die Entfernung zu ihnen bestim men Da die Ultraschallsensoren mit weitem Winkel keine genauen Richtungs an
48. d So ist es f r den Benutzer leicht eine Bewegung auszuf hren bei der die zur Bewe gung hintere Seite nicht ausschwenkt Zur Modifikation des Joysticksignals wird die Formel 16 eingesetzt Sollte der Joystick negative Werte fordern wird der Wert Sigsendsteering Selbstverst ndlich negiert Liegt der vom Joystick geforderte Wert f r die Lenkung zwischen dem Grenzwert Sigzerolimir und dessen Negati 64 4 Evaluation des Fahrverhaltens on Sigzerolimir SO wird eine Null als Wert fiir die Lenkung an den Rollstuhl gesendet Zum Verst ndnis der Formel 16 bleibt zu erw hnen dass die Signalwerte f r die Lenkung genau wie die f r die Geschwindigkeit zwischen 63 und 63 lie gen 63 Sigzerolimi 3 zerolimit Sig sendsteering Sig zerolimit Sig joysticksteering 63 16 e Si 8 sendsteering Signalwert f r die Lenkung der als Befehl zum Rollstuhl gesendet wird e Si amp zerolimit Grenzwert liegt das Joysticksignal f r die Lenkung im Intervall zwischen diesem Grenzwert und seiner Negation wird Null als Wert f r die Lenkung zum Rollstuhl gesendet Durch diese Modifikation der Signalwerte haben selbst unerfahrene Benutzer nie das Gef hl dass sich der Rollstuhl festgefahren h tte Es ist ihnen leicht m glich gerade Bewegungen zu befehlen die ohne ungewolltes Ausschwenken ausgef hrt werden 4 5 6 Die nderungen nach zwei Monaten Betrieb in der Ausstellung Computer Medizin Nach knapp zwei Monaten des Be
49. d an letzter Stelle in die Datenschlange im Puffer gelegt Dies f hrte zu einer Latenzzeit in der Ausf hrung der Fahrbefehle Diese Latenz machte die Steuerung des Roll stuhls unn tig schwierig auch wenn man sie als Nutzer nur bemerkt wenn man den direkten Vergleich zwischen einer Fahrt mit Latenz und ohne Latenz hat Abbildung 14 veranschaulicht diese Latenz in Form eines Diagramms Darin erkennt man dass die Latenzzeit sich um mehr als ein Drittel verringert wenn das Protokoll beim Start ber das Timeout hinaus auf die Antwort des Bedien moduls wartet Es bleibt zu erw hnen dass auf dem Rolland III keine offizielle Firmware zum Einsatz kommt sondern die Software des Bedienmoduls speziell f r das Projekt Bremer autonomer Rollstuhl gepatcht wurde Dies geschah um die direkten Fahrwerte siehe Abschnitt 4 1 welche im normalen Betrieb eines Rollstuhls eher hinderlich w ren umzusetzen Es ist nicht ausgeschlossen dass im Zuge 3 5 nderungen im Protokoll des Bedienmoduls 45 dieses Patches die beschriebenen nderungen im Protokoll zustande kamen Der Firmware Patch wurde von Meyra Mitarbeitern und nicht vom Projekt Bremer autonomer Rollstuhl erstellt und bereitgestellt 46 4 Evaluation des Fahrverhaltens 4 Evaluation des Fahrverhaltens In diesem Abschnitt wird das Fahrverhalten des HNF Rollands beschrieben Dies baut wie alle Module des HNF Rollands auf den Erfahrungen des Rol land III auf Fiir den Einsatz
50. d einer Schraubenmutter werden die MiniCoder in der richtigen Position befestigt Exaktes Arbeiten ist hierbei schwierig da der Rahmen aus einem sehr harten Stahl gefertigt ist und durch die Gr e des Meyra Champ ein Einspannen in die vorhandenen Pr zisionsbohrer fast unm glich ist Durch die Vielzahl an Unterlegscheiben ist eine ungewollte nderung der Positionen der MiniCoder im laufenden Betrieb nicht auszuschlie en So kommt es vor dass durch Vibrationen die MiniCoder das Zahnrad ber hrten Dabei kann es zu falschen Messungen oder sogar zu Besch digungen der Sensoren und der Zahnr der kommen Beim HNF Rolland werden Aluminiumplatten mit M5 Schraubengewinden gefertigt Bei diesen kleinen Aluminiumplatten ist es m glich mit einem Pr zi sionsbohrer die Gewinde exakt in den Abst nden des MiniCoders zu fertigen Diese Aluminiumplatten werden mit dem Pattex Repair Extreme Power Kleber auf den Rahmen des Meyra Champ geklebt Dabei ist eine exakte Aus richtung dank der Eigenschaften des Klebers leicht zu realisieren Um die ge 28 2 Hardware naue horizontale Position zu erreichen werden maximal 2 Unterlegscheiben be n tigt Dies schlie t eine Ver nderung der Position und damit ein Schleifen auf den Zahnr dern aus Beim HNF Rolland haben die MiniCoder im Gegensatz zum Rolland III einen offenen Kollektor besser bekannt unter dem englischen Ausdruck Open Collector Dies ndert die Schaltstruktur des Elektronikmoduls
51. d fabs poseApplied speedRightWheel poseApplied speedLeftWheel modify poseApplied according to vL vR with wheel wise worst case policy modifySpeedForWorstCase vL vR double worstCaseSpeed poseApplied speedNorml bool canMoveSlowly double maxSafeSpd speedNorml int myThreshold if worstCaseSpeed lt 0 myThreshold gridThreshold poseApplied speedNorml else myThreshold gridThreshold poseApplied speedNorml Vector2 lt double gt p 90 A Anhang maxSafeSpd scts maxSafeSpeedNorm canMoveSlowly poseApplied evidenceGrid myThreshold p double softBrake SOFT_LAMBDA this is for potential changing of brakeing limits double hardBrake HARD LAMBDA double timeStep 0 03 double softSpd maxSafeSpd softBrake spd gt softSpd gt brake double hardSpd maxSafeSpd hardBrake if worstCaseSpeed gt hardSpd isSafetyBraking true else isSafetyBraking false if CworstCaseSpeed gt softSpd amp amp isSafetyBraking double requestedSpeed fabs vL vR 2 double scalel softSpd worstCaseSpeed double scale2 10 if requestedSpeed 0 scale2 softSpd requestedSpeed double scale min scalel scale2 scale hardSpd worstCaseSpeed hardSpd softSpd driveRequest speed int driveRequest speed scale driveRequest steering int driveRequest steering scale if fast if driveRequest speed gt 0 driveRequest speed 5 else driveRequest speed 5
52. dass es in diesem Fall zu Kollisionen kommt weil sich bei weicheren Fahrparametern der Bremsweg verl ngert An den hinteren R dern des Meyra Champ sind Radkappen montiert um Verletzungen von Museumsbesuchern zu verhindern Im normalen Betrieb des Meyra Champ kommt es nicht vor dass sich Finger oder andere K rperteile in den Speichen befinden w hrend der Fahrer losf hrt und auch im Museum sollte dies nicht der Fall sein Bei interaktiven Exponaten ist dies jedoch nicht auszuschlie en besonders nicht da das Exponat nicht st ndig unter Aufsicht steht An den Fu st tzen des Meyra Champ ist eine spezielle Polsterung angebracht worden um im Fall einer Kollision den Schaden so gering wie m glich zu hal ten Zwar ist der Rolland darauf ausgelegt Kollisionen zu vermeiden und daher 2 1 Der Rollstuhl Meyra Champ von Meyra 17 Abbildung 7 Die baulichen Ver nderungen f r maximale Sicherheit der Besucher Links Radkappen Mitte Fu st tzen Rechts Abdeckscheibe sollte dieses Problem nicht bestehen es gibt jedoch Materialien die von den La serscannern nur schlecht oder gar nicht erkannt werden Kollisionen mit solchen Objekten sind nicht auszuschlie en Au erdem kann es zu Kollisionen kommen wenn sich Personen oder Objekte schnell in den Bremsweg des Rollands bewe gen so dass eine sichere Bremsung vor dem Hindernis physikalisch nicht mehr m glich ist Die Polsterung der Fu st tzen besteht aus einem herk mmlich
53. dernis n hert Weicht der Benutzer w hrend der Softbrakephase dem Hindernis aus so wird die Bremsung unterbrochen da kein Hindernis mehr im Fahrweg ist Wird die Hardbrakegrenze berschritten leitet sich eine Vollbremsung ein W hrend dieser hat der Benutzer keine Kontrolle mehr ber den Rollstuhl So wohl Geschwindigkeitsbefehle als auch Lenkbefehle werden von der Software auf 0 gesetzt Die Vollbremsung gilt erst als abgeschlossen wenn der Rollstuhl stillsteht und der interne Joystick in der Nullstellung ist Der Joystick kehrt auto matisch in diese zur ck wenn er losgelassen wird Nat rlich ist es auch m glich den Joystick mit der Hand in die Nullstellung zu bringen Da der Bereich des 48 4 Evaluation des Fahrverhaltens analogen Joysticks der als Nullstellung definiert ist sehr klein ist ist es schwer die Nullstellung mit der Hand zu treffen Es ist deutlich leichter den Joystick kurz loszulassen Da die Software immer die maximal sichere Geschwindigkeit mit den Odo metriedaten vergleicht wird im Stillstand nach einer Vollbremsung immer noch eine Bewegung in Richtung des Hindernisses erlaubt Dies folgt daraus dass die Vollbremsung schon leicht vor der Uberschreitung der maximal sicheren Ge schwindigkeit eingeleitet wird Der Rollstuhl h lt vor dem Hindernis an somit ist eine minimale Geschwindigkeit noch m glich Der Rollstuhl wird erst dann daran gehindert weiter in Richtung des Hindernisses zu fahren wenn eine K
54. dernissituation nicht so schnell umsetzt wie dies beim Rolland III der Fall ist Als Folge dessen muss deutlich fr her in die Geschwindigkeit des Rollstuhls eingegriffen werden Das hei t dass im Nahbereich von Hindernissen nur sehr geringe Geschwindigkei ten erlaubt werden k nnen Im Verlauf der Evaluation des Fahrverhaltens spielten diese Fahrwerte immer wieder eine entscheidende Rolle 4 2 Fahrverhalten bei der SAMSafetyLayer des Rolland Ill Bei der SAMSafetyLayer werden die Werte f r die maximal sichere Geschwin digkeit aus den Kollisionstabellen mit den Odometriedaten verglichen Es wer den zwei Grenzen definiert eine bei der die Geschwindigkeit reduziert wird und eine bei der eine Vollbremsung eingeleitet wird Die erste Grenze wird Softbrakegrenze genannt die zweite Hardbrakegrenze Beide liegen unterhalb der maximal sicheren Geschwindigkeit um sicher Kollisionen zu vermeiden berschreiten die Odometriedaten die Softbrakegrenze so werden die Fahr befehle f r die Geschwindigkeit nach unten modifiziert Die Herabsetzung der Geschwindigkeit erfolgt entsprechend st rker wenn die Softbrakegrenze stark berschritten wird Sollte die Softbrakegrenze nur leicht berschritten werden so wird der Geschwindigkeitsbefehl auch nur leicht modifiziert Somit ist f r den Benutzer nicht an einer Stelle der Bewegung eine harte Bremsung zu sp ren Stattdessen wird die eingeleitete Bremsung st rker je mehr sich der Roll stuhl dem Hin
55. dessen L sung 4 5 2 Das Bremsverhalten Wie in Abschnitt 4 3 erl utert ist es beim HNF Rolland kein Problem mit der Aufgabenstellung stark in die Geschwindigkeit des Rollstuhls einzugrei fen Dies ist notwendig um bei den weichen Fahrwerten rechtzeitig bremsen zu k nnen Im Nahbereich von Hindernissen wird also nur eine sehr geringe Ge schwindigkeit erlaubt bei einer schnellen Fahrt auf Hindernisse zu wird schon sehr fr h und daf r sanft die Geschwindigkeit reduziert Die in Abschnitt 4 2 erw hnten Grenzen Softbrake und Hardbrake wurden daf r zun chst um das 1 8 Fache nach unten modifiziert Als wie in den Abschnitten 1 2 4 und 2 1 bereits erw hnt und im Abschnitt 4 5 6 genauer beschrieben die H chstge schwindigkeit des HNF Rollands stark reduziert wurde stellten sich die Wer te der SAMSafetyLayer f r die Hardbrake und Softbrakegrenze wieder als vorteilhafter heraus Dies wird darauf zur ckgef hrt dass nun die maximal be fohlene Geschwindigkeit klein genug ist so dass trotz der weichen Fahrwerte Bremsbefehle auch in der Beschleunigungsphase schnell vom Rollstuhl umge setzt werden Die Berechnungen f r die Softbrakegrenze und die Hardbrake grenze lauten 4 5 Anderungen des Fahrverhaltens nach dem Praxistest 55 VmaxS Vsoft a 1 VmaxS Vhard nr 2 Vsoft Softbrakegrenze Vhard Hardbrakegrenze VmaxSafe aus den Kollisionstabellen erhaltene maximale sichere Geschwindigkeit Be
56. diese wer den ber eine PC 104 Schnittstelle mit dem Mainboard verbunden Standardm ig hat der MSM855 vier USB2 0 Anschliisse zwei RS323 seri elle Schnittstellen zwei PS2 Anschl sse f r Maus und Tastatur einen Anschluss f r die Netzwerkkarte einen VGA Anschluss einen IDE Anschluss einen An schluss f r die Soundkarte und eine PC 104 Schnittstelle 22 2 Hardware Abbildung 9 Der MSM855 von Digital Logic Bild aus Digital Logic 2000 Zun chst wurde geplant f r den HNF Rolland eine zus tzliche Etage das MSMX104 mit 4 weiteren seriellen Schnittstellen ber die PC 104 Schnitt stelle anzuschlie en Diese zus tzlichen seriellen Schnittstellen h tten optio nal mit dem RS323 oder dem RS422 Standard betrieben werden k nnen Ver schiedene Gr nde f hrten jedoch dazu dies nicht zu tun So wurde zun chst geplant alle Sensoren die Laserscanner und die Odometrie sowie das Steue rungsmodul f r den Meyra Champ ber serielle Schnittstellen anzuschlie en Nach einigen nderungen im Schaltplandesign der Odometrie und des Champ Steuerungsmoduls siehe Abschnitte 2 5 und 2 2 war es vorteilhaft diese ber USB und nicht ber serielle Schnittstellen anzuschlie en Daraufhin wurden nur noch zwei serielle Schnittstellen f r die beiden Laserscanner ben tigt Da diese auf dem Mainboard verf gbar waren war das MSMX104 nicht mehr un bedingt erforderlich Der einzige Vorteil w re der schnellere RS422 Standard gewesen
57. dung f r Rollst hle die ein Vektorfeld Histogram einsetzt Bell u a 1994 An der Universit t von Shiga wurde auf einem Rollstuhl eine Kollisionsvermei dung eingesetzt die auf einem neuronalen Netz basiert Yasuda u a 2006 Lankenau und R fer 2000 gibt einen ausf hrlichen berblick ber intelligen te Rollst hle und ihre Applikationen Die Kollisionsvermeidung des HNF Rolland setzt hingegen kein Ausweich verhalten ein sondern stoppt vor Hindernissen bevor es zu Kollisionen kommt Der Benutzer muss selbstst ndig eine neue Route vorgeben die das Hindernis umgeht Des Weiteren ist es nicht m glich einem Rollstuhl eine runde Form zu geben Dennoch gibt es Ans tze die sowohl bei der Kollisionsvermeidung des HNF Rollands als auch bei anderen Kollisionsvermeidungen mit Ausweichver halten eingesetzt werden Wie schon in Abschnitt 1 2 beschrieben wird setzt die Kollisionsvermeidung des Rolland III die mit leichten Ver nderungen des Fahrverhaltens auch beim HNF Rolland eingesetzt wird die Ans tze des Rolland I und I fort Im Folgenden werden Methoden beschrieben deren Ans tze in Teilen der Kollisionsvermeidung auf dem Rolland II und Rolland III sowie des HNF Rollands hneln 3 4 1 Der Dynamic Window Approach Einer der Ans tze der auf einem Ausweichverhalten basiert ist der Dynamic Window Approach Fox u a 1997 Er wurde f r den Roboter RHINO ent wickelt und zur Kollisionsvermeidung in Umgebungen mi
58. e einmal aufgetretene Unterbrechung in der Lenkbewegung sind darauf zur ckzuf hren dass die Personen nicht merkten dass ihre Fahrbefehle unterbunden wurden da eine Kollision mit dem hinteren Teil des Rollstuhls und den Verkehrspylonen in der Testumgebung drohte Diese Aussagen tauchen hier der Vollst ndigkeit halber auf haben jedoch ihre Ursache in der funktionierenden Kollisionsver meidung Die Tatsache dass der Rollstuhl nicht nahe genug an Hindernisse heran f hrt tritt nur an der vorderen Seite des Rollstuhls auf Dies liegt daran dass die in tern gespeicherten Ausma e des Rollstuhls nach vorne deutlich gr er sind um auch die F e von gro en Menschen vor Kollisionen zu sch tzen Menschen deren F e nicht ber die Fu st tzen des Rollstuhl hinausragen empfinden dies 5 1 Bewertung der Museumsbesucher und des Ausstellungskurators 71 Note Anzahl Eins 5 Zwei 12 Drei 3 Vier 0 F nf 0 Durchschnitt 1 8 Tabelle 7 Zweiter Termin Wie bewerten Sie das Exponat und seine Bedienbarkeit Note Anzahl Eins 7 Zwei 11 Drei 2 Vier 0 F nf 0 Durchschnitt 1 75 Tabelle 8 Zweiter Termin Wie bewerten Sie den Wert eines Rollstuhls mit Kollisi onsvermeidung manchmal als st rend F r den HNF Rolland ist dieses Verhalten jedoch ge wollt da es st render w re wenn einige Museumsg ste mit ihren F en an Hindernisse stie en Das fr he Einleiten von Bremsungen ist ebenfalls intendiert u
59. eile enthalten aus der Linuxversion einfach ent fernt da sie f r den Einsatz in der Ausstellung Computer Medizin nicht rele vant waren Au erdem gibt es unter Linux keine Unterst tzung f r einen Simu lator und kein Log File Replay Sollten die Vorteile des Linuxsystems auch f r die Forschung auf dem Rol land III zum Tragen kommen so m ssen weitere umfassende Anpassungen der Linuxversion der GTRolland Software folgen 3 4 Kollisionsvermeidung Die meisten Kollisionsvermeidungsalgorithmen in der Robotik basieren auf ei nem Ausweichverhalten Sie werden eingesetzt um Robotern die autonom We ge befahren eine M glichkeit zu geben einen neuen Weg zu berechnen wenn Hindernisse in ihrem urspr nglichen Weg stehen Um unerwarteten Hindernissen ausweichen zu k nnen m ssen sensorbasierte reaktive Methoden verwendet werden Zu diesen Z hlen die Vektorfeld Histo gram Methode Borenstein und Koren 1991 der Einsatz von Potentialfeldern Khatib 1986 und Khatib und Chatila 1995 die Curvature Velocity Me thod Simmons 1996 und der Dynamic Window Approach Fox u a 1997 Viele Ans tze setzen Roboter ein welche eine runde Grundform haben um Kollisionen zur Laufzeit anhand von einfachen mathematischen Formeln zu be 38 3 Software rechnen Fox u a 1997 Stachniss und Burgard 2002 und Siegwart u a 2003 Das NavChair Project Levine u a 1999 entwickelte eine Kollisionsver mei
60. ein Unterziel definiert Wie weitschauend dieses ist h ngt von dem vor handenen Speicher und der Rechenleistung des eingesetzten Computers ab 3 4 2 Fast Local Obstacle Avoidance von C Schlegel Der Ansatz in Schlegel 1998 setzt Lookup Tables ein um eine nicht runde Form eines Roboters zur Laufzeit auf Kollisionen zu pr fen Auch dieser bein haltet Wegplanung und Ausweichverhalten eines autonom steuernden Roboters hnlich wie beim Dynamic Window Approach werden nur Bewegungen be r cksichtigt die im n chsten Befehlsschritt erreicht werden k nnen Die besondere Aufgabe dieses Ansatzes ist es dass der eingesetzte Roboter keine runde Grundform besitzt Geometrische Berechnungen der Entfernungen zu Hindernissen erschweren sich dadurch deutlich und werden daher vorberech net In den Lookup Tables wird gespeichert welche Fahrbefehle im n chsten Schritt ausgef hrt werden k nnen Des Weiteren wird eine Gitterkarte aufge baut in diese wird zur Laufzeit die Hindernissituation um den Roboter eingetra gen Dank der Vorberechnung kann aus den Zellen ausgelesen werden wie weit die Hindernisse noch von dem Roboter entfernt sind Ebenfalls ist es m glich die Geschwindigkeiten auszulesen die maximal ausgef hrt werden k nnen oh ne eine unsichere Situation in Bezug auf Kollisionen zu erzeugen Durch diese Lookup Tables ist es m glich eine effiziente Kollisionsvermei dung zu gestalten ohne dass der Roboter an eine leicht
61. ems IROS 1 2002 S 508 513 Yasuda u a 2006 YASUDA Toshihiko NAKAMURA Kazushi KAWA HARA Akihiro TANAKA Katsuyuki Neural network with variable type 97 connection weights for autonomous obstacle avoidance on a prototype of six wheel type intelligent wheelchair In International Journal of Innovative Computing Information and Control 2 2006 Nr 5 S 1165 1177 98 Eidesstattliche Erkl rung Hiermit versichere ich an Eides statt dass die vorliegende Diplomarbeit selb st ndig von mir verfasst wurde Dabei habe ich keine anderen Quellen und Hilfs mittel benutzt als die angegebenen Alle w rtlichen oder sinngem den Schrif ten anderer entnommenen Stellen sind unter Angabe der Quellen kenntlich ge macht Die Arbeit war noch nicht Gegenstand eines anderen Pr fungsverfahrens Bremen im Mai 2007
62. en tigten Diensten Minimal Linux Systeme haben meist einen bestimmten Zweck den sie erf llen sollen zum Beispiel Router Funktion f r ein lokales Netzwerk Diese Minimal Linux Systeme haben den Nachteil dass ihre Dokumentationen nur auf den eigent lichen Zweck abzielen beziehungsweise aufgrund von geringen User Zahlen nicht alle M glichkeiten dokumentiert sind Eine Ausnahme unter den Linux Distributionen stellt Gentoo Linux dar Dies ist eine volle Distribution die alle standardisierten Softwarepakete liefert und sich an den Linux Standard h lt Diese stellt keine grafische Installation bereit die Standard Dienste und Programme automatisch installiert Stattdessen wird eine Anleitung geliefert wie man Schritt f r Schritt die Installation manuell rea lisiert Nicht nur die Installation sondern alle Probleme die mit der Distribution auftreten k nnen sind umfassend dokumentiert und werden im Gentoo Forum diskutiert In der Installationsdokumentation wird genau beschrieben welche Dienste und Programme erforderlich sind und welche optional sind So ist es leicht m glich ein minimales Linux System nach eigenen Bed rfnissen zu erstellen Die genannten Eigenschaften von Gentoo Linux f hrten zu der Entscheidung diese Distribution als Betriebssystem zu verwenden Nur der Kernel wurde nicht von Gentoo bezogen Wie in Abschnitt 3 1 2 beschrieben kommt der RealTime Linux Kernel in der Version 2 6 9 zum Einsatz 34 3 Software
63. en Garten schlauch den es in jedem Baumarkt zu kaufen gibt Sein Durchmesser betr gt 2 cm seine Materialst rke 2 5 mm Er besteht aus elastischem Kunststoff Es ist leicht ihn etwas einzudr cken jedoch wird eine recht gro e Kraft ben tigt ihn soweit einzudr cken dass sich die gegen berliegenden Seiten ber hren Er stellt somit einen guten Puffer dar Auf die Au enseite der Fu st tzen geklebt wurde der Schlauch mit dem Pattex Repair Extreme Die Beschaffenheit des Klebers wird im Abschnitt 2 5 2 genau beschrieben F r diesen Einsatz reicht es zu er w hnen dass der Kleber sehr gute Eigenschaften besitzt um den Kunststoff des Gartenschlauchs dauerhaft mit dem Plastik der Fu st tzen zu verbinden Aus optischen Gr nden und wegen der besseren Stabilit t wurden anschlie end die Fu st tzen samt Gartenschlauch mit Kunstleder berzogen Nach viereinhalb Monaten Ausstellungsbetrieb war das Kunstleder sehr abgenutzt und hatte ei nige L cher Die Fu st tzen wurden daher erneut bezogen diesmal mit einer robusten schwarzen Klebefolie Durch diese L sung sind die relativ scharfen unteren Kanten der Fu st tzen durch den Gartenschlauch ummantelt und der relativ harte Kunststoff gepols tert Dadurch besteht keine Gefahr von Schnittwunden oder Kratzern nach einer m glichen Kollision mit Personen die von der Software nicht verhindert werden kann Die Gefahr von leichten Prellungen oder H matomen wird verringert 18 2 Hardware
64. enn sich diese Personen auf den Rolland zubewegen ist es m glich dass der berechnete Bremsweg nicht ausreicht und es zu Kollisionen kommt Besonders besteht dieses Problem wenn sich Personen schnell von der Seite in den Fahrweg des Rolland bewegen Dieses Problem wird durch die Re duzierung der H chstgeschwindigkeit Abschnitt 4 5 6 minimiert Ganz kann dieses Problem nicht gel st werden denn dazu m ssten Bewegungen der er kannten Hindernisse vorausgeahnt werden Dieses Problem f hrte ma geblich zum Entwurf der Polsterung der Fu st tzen siehe Abschnitt 2 1 1 Dieser Test verdeutlicht dass es unabdingbar ist das Fahrverhalten auf den Gebrauch im Museum zu optimieren Abschnitt 4 4 2 beschreibt die genaue Auswertung dieses Praxistests 52 4 Evaluation des Fahrverhaltens 4 4 2 Auswertung des Praxistests Die Tatsache dass 44 4 der Testpersonen Probleme hatten intuitiv zu erken nen dass es nach einer Vollbremsung gefordert ist den Joystick in die Nullstel lung zu bringen also loszulassen best tigte die Vermutung dass dieses Verhal ten nicht der Benutzerfreundlichkeit dient Des Weiteren ist zu vermuten dass bei den 55 6 der Testpersonen die keine Probleme mit diesem Verhalten hat ten bei vielen das Loslassen des Joysticks durch Zufall geschah oder bei ihrem Test keine Vollbremsung erfolgte Dieses Verhalten musste demnach ge ndert werden Ebenso musste die Ursache die dieses Verhalten notwendig machte behoben we
65. er 24 2 5 Die Odometriesensoren MiniCoder GEL 248 von Lenord Baer sat ra herr 25 2 5 1 Technische Beschreibung der Odometriesensoren und deren Signalaufnahme 26 2 5 2 Unterschiede zwischen Rolland IH und HNF Rolland 27 2 6 Stromversorgung und Inbetriebnahme der Hardware 28 2 7 Masseschleife als besondere Schwierigkeit 30 3 Software 32 3 1 Das Betriebssystem ya Hr ek rer er er 32 3 1 1 Windows QNX oder Linux 32 3 1 2 RealTimeLinux aoaaa 32 3 1 3 Die Wahl der Linux Distribution 2 2 2 2 33 3 1 4 Konfiguration des Betriebssystems 34 3 1 5 Konfiguration des RTLinux Kernels 34 32 Die Software GTRolland 222 2 2 oo nn 321 GT200X ee ee ee Eee 3 2 2 nderungen der GT2004 Software zur GTRolland Soft Wale ee dep te ES ee iS ee a a 3 3 Betriebssystemsabh ngige Softwareanpassung 3 4 Kollisionsvermeidung 000 3 4 1 Der Dynamic Window Approach 3 4 2 Fast Local Obstacle Avoidance von C Schlegel 3 4 3 Die virtuellen Sensoren des Rolland 3 4 4 Die Virtuellen Sensoren des Rollands III und des HNF Rollands oe od 58 2 5 62 a ee ane re 3 5 nderungen im Protokoll des Bedienmoduls Evaluation des Fahrverhaltens 4 1 Die Fahrwerte des HNF Rollands 4 2 Fahrverhalten bei der SAMSafetyLayer des Rolland I 4 3 Ans tze und Ziele
66. ert Diese ver ndern bei Bewegungen das Magnetfeld der Sensoren Lenord Bauer 2002 Die Elektronik zur Erfassung der Sensorsignale bestand beim Rolland III zu n chst aus einer seriellen Maus Bei dieser wurden die Sensoren zur Erfassung der Mausbewegungen herausgel tet und an dieser Stelle die Signalleitungen der MiniCoder befestigt Diese Konstruktion erwies sich als nicht langlebig So war die Mausplatine des Rolland III nach ca 3 Jahren im Einsatz durchgebrannt und einige Leiterbahnen waren schwarz Auch im normalen Betrieb ergab sich ein entscheidender Nachteil Wurden keine Bewegungen erkannt so wurden ge nau wie bei einer bewegungslosen seriellen Maus auch keine Signale gesendet Dies ist das gleiche Signal wie beim Ausfall der Sensoren Dadurch war f r die Software nicht zu erkennen ob der Rolland still steht oder die Odometrie ausgefallen war Um dieses Problem zu l sen wurde Christoph Budelmann elektrotechnischer Praktikant beim DFKI damit beauftragt eine Platine zu entwerfen die die Si gnale der MiniCoder aufnimmt und als Integerwerte ber eine serielle Schnitt stelle sendet Dabei werden auch O Werte gesendet wenn keine Bewegungen erkannt werden Diese Konstruktion erwies sich aus den genannten Gr nden 2 5 Die Odometriesensoren MiniCoder GEL 248 von Lenord Bauer 27 als besser im Gegensatz zu der Mausplatine Aus diesem Anlass wurde eine sol che neuentwickelte Elektronik auch fiir den HNF Rolland ange
67. es dennoch eine zeitkritische Software eine RealTime Anwendung Um die M g lichkeit zu wahren die Software in diese Richtung auszubauen wurde erwogen den RealTime Linux Kernel zu verwenden Dieser l sst sich mit allen Linux Distributionen kombinieren Er stellt einen normalen Linux Kernel in fast jeder gew nschten Version dar und bietet die M glichkeit RealTime Schnittstellen als Kernelmodule zu installieren Dar ber hinaus laufen Anwendungen parallel 3 1 Das Betriebssystem 33 zum Betriebssystem und k nnen eine h here Priorit t haben als das Betriebssys tem selbst Darunter l uft nur noch der Scheduler Sollte eine Anwendung deren Priorit t h her ist als die des Betriebssystems an einem Punkt des Programms oder dauerhaft sehr rechenintensiv sein entsteht der Eindruck eines stehenden Betriebssystems Die Anwendung jedoch l uft stabil weiter Aufgrund dieser Vorteile kommt der RealTime Linux Kernel auf dem HNF Rolland zum Einsatz 3 1 3 Die Wahl der Linux Distribution Bei der Wahl der Linux Distribution ist es entscheidend dass es einfach ist alle nicht ben tigten Dienste abzuschalten Das Ziel ist es ein m glichst schlankes Betriebssystem zu haben und maximale Leistung f r die GTRolland Software zu gew hrleisten Die meisten Distributionen bieten ein Grundsystem an welches w hrend der Installation viele M glichkeiten zum Ausbau der gelieferten Dienste und Pro gramme stellt aber kaum zum Abbau von nicht b
68. es CAN Bus gegen den Pin 4 die Masse geschaltet wird Beim Rolland II wird der Totmann Schalter benutzt indem dem internen Joystick eine Priorit t zugewiesen wird die niedriger als die des externen Joy sticks ist F r den Einsatz im Museum wird nur dem externen Joystick eine Prio rit t zugewiesen Dies stellt sicher dass der Rollstuhl nur mit aktiver Kollisions vermeidung f hrt Hat der interne Joystick eine Priorit t so l sst sich der Roll stuhl bei ausgeschaltetem Computer normal fahren Diese L sung erfordert dass der Totmann Schalter vom externen Joystick im Fall des HNF Rolland vom Watchdog geschaltet wird Genaueres dazu folgt im Abschnitt 2 2 2 2 Der Watchdog das Steuerungsmodul Das Steuerungsmodul zwischen Computer und Bedienmodul des Rollstuhls hat beim HNF Rolland zwei Aufgaben Erstens m ssen die Pegel der Signalleitun gen umgewadelt werden um die Kommunikation zwischen Computer und Be dienmodul zu erm glichen zweitens hat das Steuerungsmodul die Funktion ei nes Watchdogs der m gliche Softwarefehler abfangen kann Zum Schutz vor Softwarefehlern kann der Watchdog den Totmann Schalter in sicheren Situatio nen freischalten beziehungsweise dies in unsicheren Situationen unterlassen Des Weiteren kann der Watchdog den Rollstuhl bei Bedarf ein und bei schwe ren Fehlern ausschalten Da die serielle Schnittstelle des CAN Bus TTL Pegel verwendet also 5V als high Pegel und OV als low Pegel der Computer jedoc
69. esetzte Software vor Hierbei wird die Software GTRolland beschrieben das eingesetzte Betriebssystem und dessen Konfiguration Es wird speziell auf die Unterschiede zum Rolland III eingegan gen Diese resultieren in diesem Abschnitt vor allem aus den eingeschr nkten Funktionen des HNF Rollands sowie aus der Tatsache dass HNF Rolland und Rolland III verschiedene Betriebssysteme benutzen Abschnitt 4 stellt die Evaluation des Fahrverhaltens des HNF Rollands dar Dieses wurde im Vergleich zum Rolland III stark ver ndert um den Anforde 1 2 Das Projekt Bremer autonomer Rollstuhl 7 rungen als Museumsexponat gerecht zu werden Die Evaluation war erst nach einigen Monaten des Einsatzes in der Ausstellung Computer Medizin abge schlossen Abschlie end wird in Abschnitt 5 wird das Fazit gezogen Hierf r wird das Gesamtsystem des HNF Rollands zusammengefasst Au erdem werden die Be wertungen der Besucher der Ausstellung Computer Medizin vorgestellt Au erdem erfolgt ein Ausblick auf die bevorstehenden Aufgaben des Projekts Bremer autonomer Rollstuhl und das Vorhaben den Rolland zur Serienreife zu f hren 1 2 Das Projekt Bremer autonomer Rollstuhl Das Projekt Bremer Autonomer Rollstuhl wurde 1995 mit der Entwicklung des Rolland I ins Leben gerufen Urspr nglich als Testplattform f r Neurona le Netze von einem Bremer Biologen entwickelt B hlmeier u a 1996 und B hlmeier und Herwig 1995 wuchs au
70. f a Wheelchair In Proceedings of the 3rd ECPD International Conference on Advanced Robo tics Intelligent Automation and Active Systems 1997 S 333 338 R fer 2002 R FER T Using Histogram Correlation to Create Consistent Laser Scan Maps In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics Systems IROS 2002 EPFL Lausanne Switzerland 2002 S 625 630 R fer und Lankenau 1999 ROFER T LANKENAU A Ein Fahrassistent f r ltere und behinderte Menschen In SCHMIDT G Hrsg HANEBECK U Hrsg FREYBERGER F Hrsg Autonome Mobile Systeme 1999 Sprin ger http www springer de 1999 Informatik aktuell S 334 343 R fer und Lankenau 2000 ROFER T LANKENAU A Architecture and Applications of the Bremen Autonomous Wheelchair In WANG P Hrsg Information Sciences Bd 1 4 Elsevier Science BV http www elsevier nl 2000 S 1 20 96 Literatur R fer und Lankenau 2002 ROFER T LANKENAU A Route Based Robot Navigation In Kiinstliche Intelligenz Themenheft Spatial Cognition 2002 S 29 31 R fer und M ller 1998 ROFER T MULLER R Navigation and Rou temark Detection of the Bremen Autonomous Wheelchair In LUTH T Hrsg DILLMANN R Hrsg DARIO P Hrsg WORN H Hrsg Distributed Autonomous Robotics Systems Springer http www springer de 1998 S 183 192 Ross u a 2004 ROSS R SHI H VIERHUFF T KRIEG BRUCKNER B BATEMAN J
71. falls aus Aluminium senkrecht an der u eren Kante befestigt Die vordere Halterung wird etwas tiefer angebracht als die hin tere um unter den Fu st tzen hindurch zu scannen Diese Anordnung kann mit identischen Halterungen realisiert werden da der Rahmen des Meyra Champ hinten h her ist als vorne Beim hinteren Laserscanner ragt durch die Befesti gung an der u eren Kante der Manschette der Laserscanner ca 4 6 cm ber den Rahmen des Meyra Champ hinaus F r den HNF Rolland wurde das Design der vorderen Halterungen ohne Ver nderungen bernommen Beim hinteren Laserscanner wurde jedoch versucht das berstehen ber den Grundriss des Meyra Champ zu minimieren Daf r wurde eine neue Halterung entworfen die nicht aus Aluminium sondern aus Stahl besteht Dies hat den Vorteil dass bei fast unver nderter Stabilit t die Halterung deutlich schmaler sein kann Die Halterung wird auch nicht mehr an der u eren Kante der Manschette montiert sondern an der unteren wodurch die Halterung so nah wie m glich an den Batteriekasten heranr ckt siehe Ab bildung 10 Infolgedessen ragt der Laserscanner nur noch ca 1 2 cm ber den Grundriss des Meyra Champ Die Zeichnungen der Halterungen befinden sich im Anhang A 2 2 5 Die Odometriesensoren MiniCoder GEL 248 von Lenord Bauer Um die Bewegungen des HNF Rollands zu erfassen werden Zahnr der auf den Achsen der Antriebsr der angebracht Ein Sensor wird so befestigt dass er
72. fertigt und die modifizierte serielle Maus nicht verwendet 2 5 2 Unterschiede zwischen Rolland Ill und HNF Rolland Zur Befestigung des Zahnrades auf der hinteren Achse beim Rolland IH wurde jenes erhitzt und anschlie end auf die Achse geschrumpft Diese Prozedur dau erte relativ lang und erforderte die entsprechenden Werkzeuge Auch gab es f r die Ausrichtung des Zahrades nicht sehr viel Zeit Beim HNF Rolland wird das Zahnrad mit einem Spezialkleber aufgeklebt Dazu wird ein spezieller Kleber Pattex Repair Extreme Power Kleber verwen det Dieser h lt nach Herstellerangaben Dehnung Vibration Wasser und Tem peraturen zwischen 50 C und 120 C stand Au erdem erm glicht dieser Kle ber f nf Minuten lang Korrekturen der Position Sollte diese Zeit nicht ausrei chen ist es m glich den aufgetragenen Kleber zu entfernen und die Ausrichtung von neuem zu beginnen da erst nach zwei Stunden eine gute Festigkeit und erst nach 48 Stunden die endg ltige Festigkeit erreicht wird Durch diese Klebeeigenschaften ist es m glich eine sehr exakte Ausrichtung ohne weitere Werkzeuge zu erm glichen Dazu l sst man die Achse drehen und beobachtet das Zahnrad aus verschiedenen Perspektiven Dadurch werden mit blo em Auge Ungenauigkeiten im und unterhalb des Millimeterbereichs sicht bar Um die MiniCoder ber den Zahnr dern zu befestigen wurden beim Rol land III L cher in den Rahmen des Meyra Champ gebohrt Mit vielen Unter legscheiben un
73. g interpretiert Durch diesen Trick lieferten die Kollisions tabellen nur einen Wert gr er Null wenn sich keine Hindernisse im Nahbe reich befanden Dennoch waren manchmal nach einer Vollbremsung ruckartige Bewegungen in Richtung des Hindernisses m glich Diese f hrten in dem Test jedoch nie zu Kollisionen 4 4 Der erste Praxistest im HNF 51 Beobachtung Anzahl Personen insgesamt 27 Probleme mit der Nullstellungbedingung zum Abbruch einer Vollbremsung 12 Festfahren frontal 12 Festfahren hinten 0 Festfahren auf der freien Fl che 13 Rotationssperre 5 Rotationskollision versucht 11 Kollision hinten versucht 13 Kollision vorne versucht 19 Kollision mit beweglichen Zielen versucht 7 Kollisionen beim Rotieren 1 Kollisionen vorne 0 Kollisionen hinten 0 Kollisionen mit beweglichen Zielen 4 Tabelle 3 Beobachtungen bei den Testpersonen im HNF Rolland 4 4 1 Beobachtungen beim Praxistest Die Schulklassen waren eine 8 Klasse einer Realschule und eine Berufsschul klasse Insgesamt 27 Schiiler testeten den HNF Rolland beim Praxistest der Ausstellung Tabelle 3 zeigt die Probleme die bei den Testpersonen auftraten Die wenigs ten hatten berhaupt keine Probleme mit Ausnahme von einigen die sich nur einige Sekunden in dem HNF Rolland aufhielten ber die Probleme hinaus die in der Tabelle 3 dargestellt werden wurde beim Praxistest beobachtet dass Museumsbesucher gerne Menschen als Testhinder nisse benutzen W
74. gaben liefern werden die 7 Ultraschallsensoren und die Infrarotsensoren zur Navigation die 80 Ultraschallsensoren zur Kollisionsvermeidung genutzt Im Nahbereich spielen die Infrarotsensoren auch eine Rolle bei der Kollisionsver meidung Die Sensoren sind um den gesamten Rollstuhl angebracht Auf jeder der vier 1 2 Das Projekt Bremer autonomer Rollstuhl 9 Seiten befinden sich zwei Ultraschallsensoren mit einem Scanbereich von 80 Von den Infrarotsensoren befinden sich je drei auf der vorderen und der hinteren Seite wobei alle vier Ecken von je einem Infrarotsensor abgedeckt werden Die Ultraschallsensoren mit 7 Scanbereich befinden sich ausschlie lich an der Vor derseite zwei sind nach vorne gerichtet je einer nach rechts und links R fer und M ller 1998 Als Anwendungen wurden Kollisionsvermeidung Landmarkenerkennung Wandverfolgung und T rdurchfahrtsverhalten implementiert Krieg Br ckner u a 1998 Ein wirkliches Ausweichverhalten wurde zwar nicht definiert jedoch eine Lenkeinschr nkung Durch die Lenkung mit der Hinterachse kann der Roll stuhl hinten erheblich ausschwenken w rde dies zu Kollisionen f hren wird die Lenkbewegung soweit minimiert dass Kollisionen vermieden werden Bei der Raumerkennung gibt es grunds tzliche Probleme mit Ultraschallsen soren Die bekanntesten sind Reflexionen und Cross Talk R fer und Lankenau 1999 Zu Reflexionen kommt es wenn die Oberfl che eines Hindernisses
75. geladen wird Uber das Tool rc update mit dem man Dienste in den Bootprozess einbinden und entfernen kann werden nur die Dienste zur Initialisierung der Netzwerkkar te der SSH Deamon und die selbst hinzugef gten Befehle in der Option local gestartet Die local Option des rc update Tools wird in der Datei etc conf d local start definiert Diese wird beim Systemstart ausgef hrt wenn die local Option ber rc update in den Bootprozess eingef hrt wurde Ent sprechend gibt es eine etc conf d local stop Datei die beim Herunterfahren ausgef hrt w rde diese wird jedoch auf dem Computer des HNF Rolland nicht verwendet In der Datei etc conf d local start wird mit dem Befehl mount n o re mount ro die Systempartition als read only neu eingebunden um die Konsis tenz nach dem Ausschalten ohne Herunterfahren zu gew hrleisten Des Wei teren wird in diesem Skript der Befehl gtrolland ausgef hrt Dieser Befehl startet die GTRolland Software und wird ber ein Shellskript umgesetzt das im Verzeichnis bin liegt Zuletzt wird mit dem Befehl echo Rolland06 is rea dy Rolland06 is ready auf die Konsole geschrieben um einen erfolgreichen Bootvorgang zu best tigen A 6 Konfiguration des RTLinux Kernels Der RTLinux Kernel wird nur mit dem Minimum ben tigter Module konfigu riert um ihn m glichst schlank zu halten Es werden im Folgenden nicht alle Module e
76. ger F r die Absicherung des Rollstuhls ist ein Erkennungsbereich von vier Metern jedoch ausreichend Durch Wegfall der Odometriesensoren k nnen weitere Kosten gespart wer den Die Erkennung der eigenen Bewegung soll anhand der erkannten Hinder nisse und deren Verschiebung in den Scans geschehen Die Software soll soweit optimiert werden dass es m glich ist sie auf einem Microcontroller laufen zu lassen Dadurch w rde auch der Computer wegfallen Es wird weiteren Experimenten vorbehalten sein zu kl ren wieweit diese Vor haben zu realisieren sind Dennoch w rden sich auf diese Weise die Kosten die ber die Anschaffung des Meyra Champ hinausgehen extrem verringern 5 3 Einsetzbarkeit Der HNF Rolland wurde konzipiert um als Museumsexponat zu dienen Dies ist kein typischer Einsatzbereich eines Rollstuhls Demonstriert werden soll die Verwendbarkeit bei Menschen mit Behinderungen Angewendet werden k nnen Rollst hle mit Kollisionsvermeidung von Men schen deren Behinderungen klare und schnelle Fahrbefehle nicht zulassen und die zur ihrer Mobilit t einen Rollstuhl ben tigen den sie nicht aus eigener Kraft fahren k nnen Haupts chlich sind hier Krankheiten die ein chronisches Zittern der H n de zur Folge haben zu nennen Dies sind zum Beispiel Multiple Sklerose die Parkinson Krankheit und spastische L hmungen Patienten die unter diesen Krankheiten leiden k nnten mit dem Rolland selb st ndig durch Geb ude navigiere
77. h 12V und 12V verwendet wird ein Pegelwandler ben tigt Beim Rolland III wurde daf r der Chip MAX232 verwendet Dieser reicht aus um die serielle Kommunikation zu realisieren Beim HNF Rolland kommt jedoch zus tzlich ein Watchdog zum Einsatz der die serielle Kommunikation berwacht Bei Unterbrechungen der Kommuni kation soll der Watchdog den Rollstuhl automatisch ausschalten dadurch wer den unsichere Zust nde vermieden Au erdem soll der Watchdog den Totmann 2 3 Der Computer MSM855 von Digital Logic 21 Schalter bet tigen um die Ausf hrung von Fahrbefehlen durch den Motor zu erm glichen Der Totmann Schalter soll nur freigeschaltet werden sobald sich der interne Joystick aus der Null Position bewegt Dies hat den Effekt dass der Rollstuhl keine Fahrbefehle ausf hrt wenn der interne Joystick nicht bewegt wird Der Benutzer hat so die M glichkeit auch bei auftretenden Softwarefehlern den Rollstuhl zu bremsen indem er den Joy stick losl sst Dieses Verhalten ist wichtig falls die Software falsche Fahrbefeh le sendet Da der Totmann Schalter rein elektrotechnisch umgesetzt ist und die GT Rolland Software keinen Einfluss auf dessen Schaltung hat k nnen dadurch Softwarefehler sicher abgefangen werden Zur Realisierung dieses Watchdogs wurde Christoph Budelmann elektrotech nischer Praktikant beim DFKI beauftragt eine entsprechende elektrische Schal tung zu entwerfen Die Schaltung beinhaltet einen Mikrocontrol
78. heit gepr ft Der Computer liest daf r die Werte des internen Joysticks aus und modifiziert diese bevor die Fahrbefehle an den Rollstuhl zu r ckgegeben werden F r den Rollstuhl sind also zwei Joysticks im Einsatz es werden jedoch nur die Fahrbefehle des Joysticks ausgef hrt der die h here 2 1 Der Rollstuhl Meyra Champ von Meyra 19 Pin Nr Funktion 5V maximal 20mA ext Lenksignal analog Eingang 2 5 V 2V ext Fahrsignal analog Eingang 2 5 V 2V Gnd Signal Masse Ein Aus Taster gegen Gnd geschaltet Totmann Schalter gegen Gnd geschaltet TxD Ausgang fiir serielle Daten TTL Pegel RxD Eingang fiir serielle Daten TTL Pegel Nav PD Ke Tabelle 2 Belegung des CAN Bus beim Meyra Champ Priorit t hat Sind die Priorit ten falsch eingestellt w rde der Computer zwar weiterhin die Fahrwerte modifizieren der Rollstuhl w rde jedoch die unver n derten Werte des internen Joysticks ausf hren Dadurch w re die Kontrolle des Computers praktisch ausgeschaltet 2 1 3 Der CAN Bus Der CAN Bus bietet acht Pins ber die alle Betriebsfunktionen des Rollstuhls bet tigt werden k nnen siehe Tabelle 2 Die Konfiguration der Priorit ten kann nur ber die Tasten des Bedienmoduls ge ndert werden Die Pins 2 und 3 werden von dem Computer nicht verwendet Die Ansteue rung erfolgt ber die serielle Verbindung der Pins 7 und 8 Diese Pins in Ver bindung mit Pin 1 und 4 f r Phase und Masse reichten beim Rolla
79. her an Stellen des Rollstuhls an denen dies m glich ist mit ihren Kleidern verfangen Da ein solcher Fall nach vier Monaten des Aus stellungsbetriebes nicht aufgetreten ist kann davon ausgegangen werden dass es nicht m glich ist sich an den Kabeln des HNF Rollands zu verfangen Die Stromversorgung des HNF Rolland basiert auf einer Parallelschaltung al ler Module die Strom ben tigen Dazu werden die Phase und die Masse der Bat terien zu einem Stromverteiler aus L sterklemmen geleitet Alle so entstande nen Paare aus Masse und Phase sind ber die Hauptsicherung des Meyra Champ abgesichert Auf dem Weg zwischen Batterien und Stromverteiler kann die Pha se durch einen Schalter unterbrochen werden Dieser ist der Hauptschalter des HNF Rolland Alle Module die Laserscanner die Odometrie und der Compu ter werden ber diesen Schalter gleichzeitig an und ausgeschaltet Der Rollstuhl 2 6 Stromversorgung und Inbetriebnahme der Hardware 29 A Computer Odometrie Watchdog Stromanschl sse USB Anschl sse Abbildung 11 Die Raumaufteilung innerhalb des Batteriekastens selbst wird ber das Steuerungsmodul zwischen Computer und Rollstuhlbedien modul softwaregesteuert ein und ausgeschaltet siehe Abschnitt 2 2 Nach dem Bet tigen des Hauptschalters ist die Odometrie sofort einsatzbe reit Die Laserscanner f hren zun chst einen Selbsttest durch Zeitgleich bootet der Computer Er f hrt das Betriebssystem hoch und startet an
80. hls von denen die Software ausgeht etwas gr er als der Roll stuhl selbst An der vorderen Seite der Fu st tzen sind diese deutlich gr er Dies geht darauf zur ck dass auch die Fu spitzen des Benutzers vor Kollisionen gesch tzt werden sollen Da der HNF Rolland keine Sensoren zur Erkennung der Fu spitzen hat muss von sehr gro en F en ausgegangen werden damit auch Benutzer mit der Schuhgr e 47 keine Kollisionen zwischen Hindernissen und ihren F en erleben Wird nun von der Software erkannt dass dieser Be reich in dem die Fu spitzen vermutet werden dicht an einer Wand ist darf der Rollstuhl nur eine gerade Bewegung r ckw rts machen Jede Bewegung die da zu f hrt dass der Bereich der Fu st tzen und der Fu spitzen ausschwenkt f hrt in diesem Fall zu einer m glichen Kollision mit den Fu spitzen Gerade f r un erfahrene Benutzer ist es fast unm glich eine genaue und gerade Bewegung zu befehlen Der analoge Joystick sendet nur in einem Bereich von ca einem Mil limeter eine Null als Wert f r die Lenkung Besonders Benutzern mit kleineren F en ist es in diesem Fall nicht ersichtlich warum eine Bewegung unterbunden wird Zur L sung dieses Problems wurde beschlossen den Bereich in dem der Joystick eine Null als Wert f r die Lenkung sendet deutlich zu vergr ern Dies hat zur Folge dass wenn der Benutzer den Joystick relativ gerade nach hinten oder nach vorne bewegt eine gerade Bewegung ausgef hrt wir
81. ide Varianten die Herabsetzung der Grenzen und die Beschr nkung der H chstgeschwindigkeit erm glichen dass nicht mehr gefordert werden muss eine Vollbremsung die beim berschreiten der Hardbrakegrenze ausgel st wird bis zum Stillstand durchzuf hren Auch im Bereich zwischen der Softbrake und der Hardbrakegrenze wird st rker in die Geschwindigkeit eingegriffen also wenn die Ungleichung gilt Vhard Z Vreal gt Vsoft Der aktuelle Fahrbefehl wird entsprechend st rker modifi ziert wenn die reale Geschwindigkeit nah an der Hardbrakegrenze liegt Es wird schon f r den Fall dass vpard Vyeq ist in der Softbrakephase eine Vollbrem sung eingeleitet Wird die Softbrakegrenze nur sehr leicht tiberschritten wird als Fahrbefehl fast die Geschwindigkeit der Softbrakegrenze erlaubt Die zun chst eingesetzte Formel lautet BR Vhard Vreal Vrequest V joystick 3 Vhard Vsoft Vrequest n chster Geschwindigkeitsbefehl e Vjoystick durch die Joystickstellung geforderte Geschwindigkeit Vreal aktuell von den Sensoren gemessene Geschwindigkeit Aufgrund der weichen Fahrwerte war es n tig noch st rker in die Geschwin digkeit einzugreifen je n her die aktuelle Geschwindigkeit an die Hardbrake grenze herankam Die eben genannte Formel f hrte zu einer stotternden Bewe gung im bergang zwischen Softbrake und Hardbrakegrenze Die daraufhin eingesetzte Formel lautet Vhard Vreal x Vsoft Vhard Vsoft Vreal
82. ie Anleitung zur Bedienung ausreiche antworteten 18 Personen dass die Erkl rungen ausreichend seinen Die zwei Personen mit ei ner anderen Meinung fanden beide dass auch weniger Anleitung ausreichend w re Aufgrund dieser Aussagen wurden die Anleitungen zur Bedienung nicht ver ndert Tabelle 4 und 5 zeigen die Auswertung der ersten Befragung beim Praxistest der Ausstellung Bei der zweiten Befragung wird die Frage nach Verbesserungsm glichkeiten erg nzt Da nun das Fahrverhalten bestm glich ver ndert worden ist stellt dies 70 5 Fazit Note Anzahl Eins 8 Zwei 12 Drei 0 Vier 0 F nf 0 Durchschnitt 1 6 Tabelle 5 Erster Termin Wie bewerten Sie den Wert eines Rollstuhls mit Kollisions vermeidung Verbesserungsvorschlag Anzahl Keine 7 Bremsung nicht konstant genug Unterbrechungen in der Lenkbewegung Rollstuhl sollte n herer an Hindernisse fahren Bremsung sp ter einleiten Rollstuhl sollte schneller reagieren NNNeR NY Tabelle 6 Verbesserungsvorschl ge f r den HNF Rolland einen Punkt zur Bewertung des Ergebnisses und m glicher anderer Ans tze bei weiteren Projekten mit hnlichem Ziel dar Auch Personen die das Exponat als sehr gut bewerteten hatten noch Verbes serungsvorschl ge Tabelle 6 zeigt die Verbesserungsw nsche und ihre H ufig keit Das von zwei Besuchern geforderte schnellere Reagieren des Rollstuhls be ziehungsweise das von ihnen erlebte zu langsame Reagieren sowie di
83. ignalsRequest left else signalsRequest winker SignalsRequest right signalsRequest light hardwareState isOdometryActive hardwareState isWheelchairOdometryError visualizeCollisionTablel bool HNFSafetyLayer handleMessage InMessage amp message if message getMessageID idGenericDebugData GenericDebugData rq message bin gt gt rq if rq id GenericDebugData samVirtualSensor showVL rq data 0 showVR rq data 1 showWhichCollisionTable SHOW_VLVR return true 5 return false Pose2DSpeed HNFSafetyLayer toPose2DSpeed const OdometryPose amp p return brakingModel posePlusSpeedToPose2DSpeed p p speed void HNFSafetyLayer visualizeCollisionTablel ASSERT evidenceGrid width evidenceGrid height const double gridHalf evidenceGrid width 2 EvidenceGrid grid evidenceGrid width evidenceGrid widthInCells evidenceGrid heightInCells grid timeStamp evidenceGrid timeStamp grid clear 0 grid center evidenceGrid center Pose2DSpeed start bool usePrecomputed true 92 A Anhang if showWhichCollisionTable SHOW_NOTHING start poseApplied if showWhichCollisionTable SHOW_VLVR start speedLeftWheel showVL start speedRightWheel showVR else usePrecomputed true if usePrecomputed scts decode grid start else compute SafetyCollisionTable online SafetyCollisionTable2 ct Pose2DSpeed rSt
84. ikation die Simulation die Log Dateien inklusive Log File Replay die Debug Queues und die Interprozesskommunikation 3 3 Betriebssystemsabh ngige Softwareanpassung 37 3 3 Betriebssystemsabh ngige Softwareanpassung Da die GTRolland Software unter Windows XP geschrieben wurde und f r den Rolland III auch unter Windows XP eingesetzt wird war es notwendig Soft wareanpassungen zu machen um die Software unter Linux zu verwenden Die nderungen betreffen die serielle Kommunikation den Dateizugriff die Debug Ausgaben und Systemaufrufe um Zeitangaben und Hostnamen abzufragen so wie die Prozessverwaltung Die Netzwerkkommunikation die in den Dateien TCPConnection h und TCPHandler h und den dazugeh rigen cpp Dateien de finiert wird wurde so umgeschrieben dass sie von beiden Betriebssystemen verwendet werden kann Die Softwareanpassungen sind nur auf den Einsatz beim HNF Rolland aus gerichtet Als Anwendung wurde allein die Kollisionsvermeidung die auf dem HNF Rolland l uft ber cksichtigt Es ist nach den Softwareanpassungen nicht m glich jede beliebige Anwendung des Rolland III unter Linux laufen zu las sen Dies folgt aus der Tatsache dass auf dem HNF Rolland nur ein Prozess l uft Die Prozessverwaltung der Linuxversion ist folglich auch nur auf die Verwaltung eines Prozesses ausgelegt Andere Anwendungen ben tigen meh rere Prozesse und deren Verwaltung Des Weiteren wurden viele Klassen die windowsspezifische Programmt
85. im Simulator um entstandene Situationen zu reproduzie ren zu debugen und mit neuem Code zu testen Das Framework erlaubt es in den verschiedenen Schichten der Software be liebig viele Prozesse zu erzeugen So wird den Entwicklern ein h chstm gliches Ma an Freiheit gegeben ohne die Kompatibilit t zu gef hrden Das Framework wird jedes Jahr weiterentwickelt und erscheint jeweils unter dem Namen der die aktuelle Jahreszahl beinhaltet Das Framework GT2004 diente als Grundlage f r die beim HNF Rolland verwendete Software Zurzeit wird das Framework GT2007 zur Benutzung im Projekt Bremer autonomer Rollstuhl umgeschrieben 3 2 2 nderungen der GT2004 Software zur GTRolland Software F r den Gebrauch der GT2004 Software beim Rolland III mussten viele Modu le der Sensorik der Aktuatorik des Weltmodells und der Verhaltenssteuerung ge ndert beziehungsweise neu geschrieben werden Dies liegt zum einen an dem grundlegend anderen Design des Roboters sowie an den Anwendungen die ein v llig anderes Ziel verfolgen Der Rolland III hat im Gegensatz zu den Sony Aibo Robotern keine Beine sondern R der ist bedeutend gr er und nutzt andere Sensoren Die Anwendungen der Sony Aibo Roboter zielen auf ein ge meinschaftliches Fu ballspiel die des Rolland III auf das sichere Man vrieren eines Rollstuhls hin Viele Module konnten jedoch auch ohne oder nur mit leichten Ver nderun gen bernommen werden so zum Beispiel die Netzwerkkommun
86. in ei nem ung nstigen Winkel zum Sensor steht In diesem Fall k nnen Objekte ber sehen werden Beim so genannte Cross Talk empf ngt ein Sensor Signale die nicht er selbst sondern ein anderer Sensor ausgesendet hat Dadurch k nnen Ob jekten falsche Positionen bei der Erkennung zugeordnet werden Dar ber hinaus bersehen die hier verwendeten Ultraschallsensoren kleinere Hindernisse leicht bei einer Messung Um diese Probleme zu verhindern oder zu minimieren werden sogenannte virtuelle Sensoren eingesetzt Diese liefern Entfernungen zu Hindernissen ge nau wie Ultraschallsensoren Sie messen jedoch nicht in der Realit t sondern auf einer lokalen Hinderniskarte die von der Software auf Grundlage der Ultra schallmessungen aufgebaut wird Somit sind diese Sensoren nur in der Software existent und werden daher virtuelle Sensoren genannt Die lokale Hinderniskarte ist eine Gitterkarte der Gr e 4m x 4m auf der alle Messungen der letzten 30 Sekunden gesammelt werden Bewegt sich der Roll stuhl so wird die Karte entsprechend verschoben In der Karte werden zwei der virtuellen Sensoren platziert Diese liefern die Entfernung zum n chsten Hin dernis in der Richtung in die sie gerichtet sind Sie haben jedoch den Vorteil alle Messungen der letzten 30 Sekunden zur Verf gung zu haben Daher wer den Objekte erkannt die bei der letzten Ultraschallmessung bersehen wurden R fer und M ller 1998 10 1 Einf hrung Abbi
87. in zweiter Punkt machte dies ebenfalls erfor derlich Da der Rollstuhl sich bei der Rotationsbewegung immer in tote Winkel also unbekannte Bereiche bewegt und f r diesen Fall eine Maximalgeschwin digkeit f r die maximal sichere Geschwindigkeit vorgesehen ist verh lt sich die Geschwindigkeit in der Rotation immer wellenartig um diese maximale Ge schwindigkeit f r unbekannte Bereiche Es war demnach notwendig dass die Geschwindigkeit in der Rotation immer unterhalb dieser maximalen Geschwin digkeit bleibt um ein gleichm iges Fahrgef hl zu gew hrleisten Dieses Verhalten wird realisiert indem die Fahrbefehle f r die Lenkung be grenzt werden Es gen gte nicht eine maximale Grenze f r die Lenkbefehle zu definieren da aus dem Stand der Rollwiderstand berwunden werden muss Da zu ist ein st rkerer Lenkbefehl n tig als sp ter um die Geschwindigkeit konstant zu halten Der Rollwiderstand kann sich erheblich vergr ern wenn die Lenkr 62 4 Evaluation des Fahrverhaltens der in einer ungiinstigen Position stehen Die Werte des Lenksignals wie auch die des Geschwindigkeitssignals liegen zwischen 63 und 63 Mit steigender Geschwindigkeit muss wie erw hnt ein kleineres Signal gesendet werden als im Stand Im Stand muss es f r den Fall von ung nstig stehenden Lenkr dern m glich sein eine gr ere Leistung der Motoren zu fordern als wenn sich der Rollstuhl bereits bewegt In der Realisierung wird abh ngig von de
88. indbereich heraus Nach einer Ver gr erung dieses Blindbereichs trat das Problem nicht mehr auf Die eine Rotationskollision er ffnete ein neues Problem Zwar kam es nur zu einer Kollision es hatten jedoch auch nur f nf Personen versucht eine Kollision in der Rotationsbewegung zu forcieren Dieses Problem bestand beim Rolland IH nicht und ist daher auf die weichen Fahreinstellungen zur ckzuf hren Bei einer genaueren Analyse zeigte sich dass die weichen Fahrwerte zwar eine star ke Beschleunigung in die Rotation zulassen das Abbremsen jedoch sehr weich erfolgt Dadurch wird bei einer Rotation mit vollem Joystickausschlag min destens eine sechstel Drehung durchgef hrt auch wenn der Computer direkt 4 5 Anderungen des Fahrverhaltens nach dem Praxistest 53 nach der Beschleunigung den Befehl zum Bremsen gibt Um dieses Problem zu beheben wurden die Werte fiir die Drehbewegung die der Computer maximal sendet stark reduziert Die Kollisionen mit beweglichen Zielen die in 57 1 der versuchten Fal le auftraten waren allesamt darauf zuriickzufiihren dass Personen sich in den Bremsweg des Rollstuhls bewegten Der Rollstuhl bremste zwar die Personen standen jedoch schon zu nah Dieses Problem lie sich nicht durch Software n derungen l sen Um den Schaden bei solchen Kollisionen m glichst gering zu halten wurden die Fu st tzen speziell gepolstert Aus anderen Gr nden wurde sp ter auch noch die H chstgeschwindigkeit reduzier
89. inderniserkennung im Fahrbereich vollautomatischer Fahrzeuge meist Schienenfahrzeuge an Weiter werden Konturvermessung Personenerkennung und z hlung Raumsicherung Fassaden berwachung Zu trittskontrolle und Volumenmessung angegeben 24 2 Hardware Beim Rolland dienen diese Laserscanner der Raumerkennung und der Kolli sionsvermeidung Mit den von ihnen erhaltenen Daten wird eine lokale Hinder niskarte aufgebaut um vor erkannten Hindernissen anzuhalten Beim Rolland II dienen sie auch der Raumerkennung und der Selbstlokalisation auf Karten Krieg Br ckner u a 2005 2 4 1 Technische Beschreibung der Laserscanner Der rotoScan ROD 4 ist ein optischer zweidimensional messender Distanzsen sor Sein Laserstrahl wird tiber eine Ablenkeinheit periodisch in den verschie den Winkeln des Messbereichs ausgesendet welcher 190 umfasst Er sendet in Schritten von 0 36 Lichtimpulse aus Deren Reflexion an Hindernissen wie Personen oder Gegenst nden wird von dem rotoScan ROD 4 empfangen und ausgewertet Aus der Lichtlaufzeit und dem aktuellen Winkel der Ablenkein heit werden die genauen Koordinaten des Hindernisses berechnet Die maxi male Weite einer Messung betr gt 40 m Objekte der Gr e 15 cm x 15 cm werden jedoch nur bis zu einer Entfernung von 15 m sicher erkannt Proble me bereiten durchsichtige oder stark reflektierende Objekte wie Glasscheiben oder spiegelnde Fl chen sowie Objekte die Licht stark absorbieren wie matte
90. inem eingebauten Computer betrieben wird Jener ist im Gegensatz zu Rolland I und II ein eingebetteter Computer der von Digital Logic speziell f r Roboter entwickelt wurde Weitere u ere nderungen dienen dem Schutz der Museumsbesucher Um 14 1 Einf hrung Abbildung 6 Der HNF Rolland den Sicherheitsanforderungen des Museums gerecht zu werden erhielt der HNF Rolland Radkappen und eine durchsichtige Abdeckhaube fiir das Bedien modul Alle Verstellschrauben die von Hand und ohne Werkzeug zu bedienen waren wurden durch Schrauben ersetzt die Werkzeug erfordern AuBerdem wurden die Fu st tzen gepolstert um bei einer unvermeidbaren Kollision Ver letzungen m glichst gering zu halten Da der HNF Rolland nur mit einem Computer betrieben wird entf llt der USB Hub die gesamte Hardware ist direkt mit dem Computer verbunden Dar ber hinaus wurde die maximale Geschwindigkeit auf 2 0 im redu ziert der Rolland III kann hingegen schneller als 7 0 Am fahren Auch das Beschleunigungs und Bremsverhalten wurde deutlich weicher eingestellt als dies beim Rolland III der Fall ist Dies war zum einen erforderlich da die Te stumgebung im Museum sehr klein ist zum anderen da am Rolland III die Maximalwerte f r Geschwindigkeit Bremskraft und Beschleunigung eingestellt sind Diese Maximalwerte k nnen einen unerfahren Fahrer selbst in ger umi gen Umgebungen erschrecken Als einzige Anwendung wurde die Kollisionsvermeidung implementie
91. inzeln aufgez hlt sondern beschrieben welche Unterst tzungen unab dingbar sind und welche Standardmodule eines normalen Linux Kernels nicht installiert werden Es wird keine Unterst tzung der Soundkarte des CD beziehungsweise des DVD Laufwerks und keine Plug and Play Unterst tzung installiert Im Gegen satz zu normalen Linux Systemen wird nur das ReiserFS Dateisystem und keine weiteren Linux CD oder Microsoft Dateisysteme unterst tzt Des Weiteren werden unterst tzt SCSI Disk und Emulation Unterst tzung USB Dateisystem und Massenspeicher alles um auf den USB Stick zugrei fen zu k nnen Unterst tzung von seriellen Verbindungen und USB Seriell Konvertern von den Konvertern werden mehr unterst tzt als ben tigt werden um Probleme bei einem eventuellen Austausch zu verhindern Netzwerkunter st tzung mit den entsprechenden Treibern f r die Netzwerkkarte und Power Management Unterst tzung auch wenn Letzteres nicht unbedingt erforderlich A 7 HNFSafetyLayer Quellcode 87 ware Als Prozessor ist wie im System vorhanden der Pentium 4 Celeron an gegeben Alle Module werden fest in den Kernel und nicht als nachladbare Module kompiliert A 7 HNFSafetyLayer Quellcode lak x file HNFSafetyLayer cpp x This file implements a safety layer based on the SAM module of Rolland II x author lt a href mailto ufrese tzi de gt Udo Frese lt a gt author lt a href mailto jogo tzi de gt Jost Gollub lt a gt
92. ion lt 0 02 hasStopped true else if fabs odometryPose speed translation x gt 40 fabs odometryPose speed rotation gt 0 04 hasStopped false if hasStopped justStopped false joystickZero abs driveRequest speed abs driveRequest steering lt 6 if isSafetyBraking joystickZero A 7 HNFSafetyLayer Quellcode braking if isBraking startOfDeceleration odometryPose isBraking true if hasStopped isSafetyBraking false else isBraking false if joystickZero hasStopped executeSafety if abs driveRequest speed abs driveRequest steering lt 160 commandIsNonzeroSince INT_MAX else if commandIsNonzeroSince INT_MAX commandIsNonzeroSince driveRequest timeStamp if isHardwareStateOk Sensors are wrong stop now driveRequest speed driveRequest steering 0 wheelchairInactiveUntil SystemCall getCurrentSystemTime else signalsRequest horn SystemCall getTimeSince wheelchairInactiveUntil lt 100 if hardwareState isWheelchairActive without wheelchair we cannot set signals if hardwareState isFrontScannerActive amp amp hardwareState isBackScannerActive signalsRequest winker SignalsRequest off else if hardwareState isFrontScannerActive amp amp hardwareState isBackScannerActive signalsRequest winker SignalsRequest warning else if hardwareState isFrontScannerActive signalsRequest winker S
93. keine Probleme Im Rolland verursachte dieser Fehler jedoch einen Kurzschluss der dazu f hr te dass die Spannungswandler nach wenigen Sekunden sehr stark berhitzten Auch dieser Fehler war schwer zu finden da die Spannung vor und hinter den Spannungswandlern exakt richtig war Als zur genaueren Analyse das Modul wieder an Labornetzteile angeschlossen wurde trat dieser Fehler nat rlich nicht mehr auf Erkannt wurde er erst als jede L tstelle des Moduls einzeln berpr ft wurde Auch das Odometriemodul musste hiernach ausgetauscht werden weil durch den Kurzschluss Teile der Elektronik besch digt worden waren Die Laserscanner und der Meyra Champ samt Bedienmodul blieben zum Gl ck von Sch den die aus Masseschleifen resultierten verschont Das ist be sonders wichtig da diese Elemente die teuerste Hardware des HNF Rollands darstellen Es ist jedoch auch denkbar dass diese Module in hnliche Proble me verwickelt werden Festzuhalten bleibt dass bei allen Problemen bei denen die Stromversorgung mit im Spiel ist die Masseschleife des Systems bedacht werden sollte Dies gilt f r jedes Rollandmodell 32 3 Software 3 Software In diesem Abschnitt wird die gesamte Software die auf dem HNF Rolland zum Einsatz kommt beschrieben Dabei wird nicht nur auf die Software GTRolland und das eingesetzte Betriebssystem eingegangen sondern auch auf die Entste hung der GTRolland Software sowie die notwendigen betriebssystemabh ngi
94. ldung 4 Der Rolland II Bild aus R fer 2002 1 2 2 Der Rolland Il Der Rolland II R fer und Lankenau 1999 wurde 1997 gebaut siehe Abbil dung 4 und ist eine direkte Weiterentwicklung des Rolland I Er setzt Sensoren ein die auf der gleichen Messtechnik basieren wie die des Rolland I Aufgrund der Erfahrungen mit dem Rolland I wurden jedoch einige weggelassen wie die Kontakt und Infrarotsensoren andere wurden in h herer Qualit t und h herer Quantit t verbaut Die bestehenden Anwendungen des Rolland I wurden ver bessert und ein echtes Ausweichverhalten hinzugef gt F r den Rolland II wurde der handels bliche elektrische Rollstuhl Meyra Ge nius 1 522 zu einem Roboter umgebaut Der Antrieb und die Lenkung werden genau wie beim Rolland I umgesetzt Die Vorderachse dient dem Antrieb die Hinterachse dient der Lenkung Als zus tzliche Hardware wurde ein Standard PC mit einem Pentium 233 Pro zessor und 64 MB RAM eingesetzt Zur Bewegungserfassung wird die rollstuh leigene Odometrie verwendet Wie beim Rolland I ist es f r den PC respekti ve die Software m glich den Stand der Lenkachse zu ermitteln So kann so wohl die Geschwindigkeit als auch die Bewegungsrichtung erfasst werden Zur Raumerfassung dienen 27 Polaroid Ultraschallsensoren die in einem Oval in 50 cm H he um den Rollstuhl herum angebracht sind Wie alle Ultraschallsensoren k nnen auch die Polaroid Sensoren Fehlmessun gen liefern Die h ufigsten Gr nde hie
95. len die Bewertungen einen 5 1 Bewertung der Museumsbesucher und des Ausstellungskurators 69 Note Anzahl Eins 2 Zwei 10 Drei 8 Vier 0 Fiinf 0 Durchschnitt 2 3 Tabelle 4 Erster Termin Wie bewerten Sie das Exponat und seine Bedienbarkeit Anhaltspunkt dar und zeigen Tendenzen in der Wirkung des Exponats auf die Besucher Die gestellten Fragen bei beiden Terminen sind nicht identisch dies geht auf den unterschiedlichen Entwicklungsstand des Exponats zur ck Bei beiden Ter minen wurden die Fragen Wie bewerten Sie das Exponat und seine Bedien barkeit und Wie bewerten Sie den Wert eines Rollstuhls mit Kollisionsver meidung gestellt Die Befragten sollten diese Fragen jeweils mit einer Note zwischen eins und f nf beantworten wobei eine eins sehr gut und eine f nf sehr schlecht ist Dar ber hinaus gehende Fragen werden im Folgenden bei den Auswertungen beschrieben Bei der ersten Befragung wurden haupts chlich drei Fragen gestellt Die bei den bereits oben erw hnten Fragen sowie die Frage ob sich die Besucher eine ausf hrlichere Anleitung zur Bedienung w nschten Eine Frage nach Verbesse rungsm glichkeiten machte zu diesem Zeitpunkt noch wenig Sinn da die Besu cher wussten dass das Fahrverhalten noch deutlich ge ndert werden musste Die in Abschnitt 4 4 1 beschrieben Probleme die die Besucher bei der Bedienung des Rollstuhls hatten wurden von diesen auch angemerkt Auf die Frage ob d
96. ler Dieser ber wacht die gesamte Kommunikation zwischen Computer und Rollstuhl setzt die Pegel der Signale entsprechend um liest die Joystickdaten des internen Joy sticks aus bet tigt den Totmann Schalter und schaltet den Rollstuhl ein und aus Entsprechend der Beschreibung wird der Totmann Schalter nur bet tigt wenn sich der interne Joystick aus der Null Position bewegt Beim Abrei en der Kommunikation wird der Rollstuhl ausgeschaltet Dies geschieht auch beim Bet tigen des Hauptschalters in diesem Fall wird der Computer ausgeschaltet die Kommunikation rei t ab und der Watchdog schaltet das Bedienmodul aus Zum Einschalten des Rollstuhls erwartet der Watchdog eine Initialisierungsse quenz ber die serielle Verbindung zum Computer Nach dem Erhalt dieser Se quenz schaltet der Watchdog den Rollstuhl ein und beginnt die berwachung der Kommunikation und der Joystickstellung Ein Schaltplan des Watchdogs befindet sich im Anhang A l 2 3 Der Computer MSM855 von Digital Logic Der MSM855 Digital Logic 2000 siehe Abbildung 9 bietet alle Schnittstel len eines Standard PCs Er basiert auf Laptop Technologie und ist darauf aus gelegt als eingebetteter Computer eingesetzt zu werden Daher ist er sehr klein und platzsparend Der MSM855 ist in Etagen aufgebaut die je ca 10 x12 cm gro sind Eine Etage enth lt das Netzteil eine weitere das Mainboard Es ist m glich weitere Etagen f r zus tzliche Funktionen zu installieren
97. lision auf ein Hindernis zubewegen k nnen Diese Bewegung muss ohne Unterbrechungen durch eine Vollbremsung oder eine stotternde Bewegung erfolgen Au erdem m ssen andere Kollisionstabellen berechnet werden da sich die Werte f r Be schleunigung Bremswirkung und H chstgeschwindigkeit vom Rolland III stark unterscheiden Fiir die Benutzerfreundlichkeit wird vermutet dass es sinnvoll ist die Null stellung des Joysticks nicht als Abbruchbedingung einer Vollbremsung zu for dern Auch das Durchf hren einer Vollbremsung bis zum Stillstand ist fraglich 50 4 Evaluation des Fahrverhaltens wenn sich das Hindernis bereits aus dem Fahrweg entfernt hat Dafiir ist ein fr heres Eingreifen in die Geschwindigkeit beziehungsweise die Fahrbefehle nicht unerw nscht Beim Rolland III war es gefordert nur gering in die Fahranweisungen einzu greifen um m glichst viele Fahrbefehle unver ndert ausf hren zu k nnen Dies liegt daran dass die SAMSafetyLayer auch in Verbindung mit anderen An wendungen zum Einsatz kommen kann denen eine gro e Freiheit in der Wahl der Fahranweisungen gelassen werden soll Im Museum hingegen kann davon ausgegangen werden dass die Benutzer zum gr ten Teil keine Erfahrungen mit der Steuerung eines Rollstuhls haben Daher ist es w nschenswert dass nicht erst im letzten Moment gebremst wird sondern der Bremsvorgang m glichst weich erfolgt Ein starkes Eingreifen in die Geschwindigkeit ist somit nicht nur
98. m Museums besucher nicht dazu zu verleiten mit dem Joystick selbst vor Hindernissen zu bremsen und um Besucher nicht durch starke Bremsungen zu erschrecken Das Problem der nicht konstanten Bremsung wurde wie in Abschnitt 4 5 be schrieben soweit gel st wie es die weichen Fahreinstellungen des Meyra Champ beim HNF Rolland zulassen F r eine Weiterentwicklung des Systems wie in Abschnitt 5 2 beschrieben wird sollte dieser Punkt auf jeden Fall angegangen werden Tabelle 7 und 8 zeigen die Bewertungen der Besucher beim zweiten Termin Bei der ersten Frage nach dem Exponat und der Bedienbarkeit ergibt sich eine Verbesserung um eine halbe Note zwischen der ersten Befragung und der nach viereinhalb Monaten Ausstellungsdauer Schlechte Bewertungen sind die Aus nahme beziehungsweise treten gar nicht auf wenn die Befragten wissen dass sie mit den Entwicklern des Exponats sprechen Au erdem handelte es sich bei den Befragten zu beiden Zeitpunkten nicht um dieselben Personen Demnach 72 5 Fazit gab es fiir die Befragten keine Vergleichswerte Dennoch bleibt festzuhalten dass die Bewertungen besser wurden nachdem die wichtigsten Probleme besei tigt waren Die zweite Frage gilt dem generellen Nutzen eines Rollstuhls mit Kollisions vermeidung Es spielt hierbei keine Rolle in welchem Zustand sich das Exponat befindet Hier sieht man dass die Bewertungen zwischen den beiden Terminen sich weniger unterscheiden Der Unterschied liegt bei nur
99. men und wissen auf welche Feinheiten zu achten ist Dies geschieht bei diesen Personen automa tisch so dass sie nicht in der Lage sind Probleme zu erkennen die unerfahrene Benutzer mit dem Rollstuhl haben Zwei Tage vor der Auslieferung des HNF Rollands an die Ausstellung Com puter Medizin wurden Personen zu Tests gebeten die mit dem Steuern eines 4 5 Anderungen des Fahrverhaltens nach dem Praxistest 63 Rollstuhl v llig unvertraut sind Sie sollten Fehler erkennen die von Mitarbei tern des Projekts Bremer autonomer Rollstuhl nicht erkannt werden konnten Eine Fahrt quer ber den Campus der Universit t Bremen die durch Men schenmengen enge G nge und enge Fahrst hle f hrte verlief ohne Kollisio nen Danach wurden Tests in einem Bereich der nur etwas gr er ist als die Testfl che in der Ausstellung Computer Medizin durchgef hrt Zum Erstau nen der Entwickler trat nun das Problem des Festfahrens das schon als gel st galt wieder auf Nach dem Versuch einer frontalen Kollision mit einer Wand die erfolgreich verhindert wurde war es den Testpersonen unm glich den Rollstuhl r ckw rts von der Wand wegzubewegen Die Fehleranalyse stellte sich als schwierig heraus da die Entwickler diesen Fehler zun chst nicht reproduzieren konnten Nach einiger Zeit wurde deutlich dass dieses Problem auf die Ausschwenk bewegung des Rollstuhls zur ckzuf hren ist Wie bereits erw hnt sind die Aus ma e des Rollstu
100. myThreshold double spdThresholdFactor 40000 if spd lt spdThresholdFactor 120 myThreshold 255 else myThreshold int 128 ceil spdThresholdFactor spd return myThreshold return 129 void HNFSafetyLayer modifySpeedForWorstCase double vL double vR double realSpeedNorml poseApplied speedNorm 1 double scaleSpeed 100 if joystickZero amp amp realSpeedNorml lt scaleSpeed double joystickSpeedNorm1 fabs vL fabs vR double odometryPart realSpeedNorm1 scaleSpeed double joystickPart l odometryPart double leftWheelJoystick 0 double rightWheelJoystick 0 if joystickSpeedNorm 0 double scaleJoystick scaleSpeed joystickSpeedNorml leftWheelJoystick vL xscaleJoystick rightWheelJoystick vR xscaleJoystick double leftWheelOdometry 0 double rightWheelOdometry 0 if realSpeedNorm1 0 double scaleOdometry scaleSpeed realSpeedNorml leftWheelOdometry poseApplied speedLeftWheel scaleOdometry rightWheelOdometry poseApplied speedRightWheel scaleOdometry poseApplied speedLeftWheel leftWheelJoystick xjoystickPart leftWheelOdometry odometryPart A 7 HNFSafetyLayer Quellcode 89 poseApplied speedRightWheel rightWheelJoystick joystickPart rightWheelOdometry odometryPart void HNFSafetyLayer slowDriveControll double rotationSpeed double realSpeed int absSteering abs driveRequest steering double maxSteering 20 400 rota
101. n Sie br uchten zur Mobilit t in Geb uden kei ne Begleitung und vermieden das Risiko von Verletzungen oder Sachsch den Der Rolland III kann dar ber hinaus mit einer Sprachsteuerung und einer Steuerung ber die Neigung des Kopfes sogar Menschen bei der Mobilit t hel 74 5 Fazit fen die ihre Arme und H nde berhaupt nicht bewegen k nnen Damit K nnten Menschen selbstst ndige Mobilit t erhalten die an starken Querschnittsyndro men leiden und sich ohne fremde Hilfe fast gar nicht bewegen k nnen 5 4 Zusammenfassung Der HNF Rolland stellt einen Nachbau des Rollands II dar der konzipiert wur de um als interaktives Museumsexponat eingesetzt zu werden Dazu wurde die Hardware weitest m glich auf Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit optimiert Es sind fast alle Bestandteile im Batteriekasten des Meyra Champ untergebracht Die Laserscanner sind als einzige Hardware von au en sichtbar die Odometriesensoren sind nicht sichtbar hinter den Antriebsr dern angebracht Alle Kabel sind mit Kabelbindern eng am Rahmen verlegt weitest gehend auf der Innenseite Dadurch wird verhindert dass sich Kabel an Gegen st nden oder Personen verfangen F r die Inbetriebnahme gibt es nur einen Hauptschalter somit ist es nur m g lich das Gesamtsystems zu starten Sollte es nach dem Einschalten Fehler mit der Hardware geben werden diese am Beleuchtungssystem angezeigt Das Betriebssystem Gentoo Linux wurde so konfiguriert dass nur not
102. n wie dies in anderen Ans tzen der Fall ist Es ist m glich die tat s chlichen Ausma e so komplex sie auch sind zu verwenden Das Ausschwen ken von einigen Bereichen des Rollstuhls kann so ber cksichtigt werden Der Suchraum der zur Laufzeit verarbeitet werden muss reduziert sich auf ein Minimum 3 4 Kollisionsvermeidung 41 at Abbildung 12 Die toten Winkel des Rolland III und des HNF Rolland Bild aus Mandel u a 2005 3 4 4 Die Virtuellen Sensoren des Rollands Ill und des HNF Rollands Die beim Rolland II und beim HNF Rolland eingesetzte Kollisionsvermeidung Mandel u a 2005 ist eine direkte Weiterentwicklung der virtuellen Sensoren des Rollands II Abschnitt 3 4 3 Dabei wird ber cksichtigt dass der eingesetz te Rollstuhl Meyra Champ einen Differenzialantrieb besitzt Au erdem werden nicht mehr die Abst nde zum n chsten Hindernis in den Kollisionstabellen ge speichert sondern die vorberechnete maximal sichere Geschwindigkeit Zudem muss ber cksichtigt werden dass der Rolland II ebenso wie der HNF Rolland tote Winkel in der Raumerkennung besitzt Dies resultiert dar aus dass die Sensoren zur Raumerfassung nicht wie beim Rolland II einen Ring um den Rollstuhl darstellen sondern nur vorne und hinten Laserscanner angebracht sind siehe Abbildung 12 Hindernisse die zuvor erkannt worden sind und durch die Bewegung des Rollstuhls in die toten Winkel verschwinden werden gespeichert Damit es zu keiner
103. n Hindernissen Bewegt sich ein Hindernis quer zur Fahrtrichtung des Rollstuhls und leitet die Entfernung zu diesem eine Vollbremsung ein so wird diese bis zum Stillstand ausgef hrt auch wenn sich das Hindernis l ngst aus dem Fahrweg des Rollstuhls bewegt hat Die weichen Fahrwerte des HNF Rollands siehe Abschnitt 4 1 haben zur Folge dass in der Phase des Heranruckelns an Hindernisse Kollisionen un vermeidbar sind da die Bremsung nach einer Beschleunigung nicht so direkt erfolgt wie beim Rolland III Es war also notwendig dieses Fahrverhalten zu ndern Die Evaluation des neuen Fahrverhaltens das noch andere nderungen f r die Benutzerfreundlichkeit beinhaltet wird in den Abschnitten 4 4 und 4 5 4 3 Ans tze und Ziele f r das Fahrverhaltens im Museum 49 beschrieben Ein weiteres bekanntes Problem der SAMSafetyLayer ist das des Festfah rens Nach einer Vollbremsung besonders nach anschlie endem Heranruckeln an das Hindernis werden oft die Fahrbefehle die den Rollstuhl von dem Hinder nis wegbewegen sollen nicht ausgef hrt Dies wird darauf zur ckgef hrt dass die Software ein Ausschwenken des Rollstuhls auf der zur Bewegung hinteren Seite des Rollstuhls vermutet Da die Ausma e des Rollstuhls die die Software annimmt aus Sicherheitsgr nden einige Zentimeter gr er sind als in Wirklich keit ist f r den Benutzer nicht ersichtlich warum eine Kollision vermutet wird Besonders stark tritt dieses Problem a
104. n Systemtools wird bei der Gentoo Installation f r den HNF Rolland verzichtet So enth lt das System keinen System Logger zum Protokollieren von Systemaktivit ten und keinen Cron Deamon zum geplan ten Ausf hren von Tasks Es wird jedoch ein SSH Deamon installiert um den HNF Rolland leichter ber ein Netzwerk zu warten Au erdem wird der Start der GTRolland Software in den Bootvorgang eingebunden Als Bootmanager wird Lilo installiert weil es sich als leichter herausstellte mit Lilo von einem USB Stick zu booten als mit Grub In der Lilo Konfiguration gibt es nur eine Bootoption die nach einem Timeout von 0 Sekunden geladen wird Eine detalliertere Beschreibung der Konfiguration des Betriebssystems befin det sich im Anhang A 5 3 1 5 Konfiguration des RTLinux Kernels Der RTLinux Kernel wird nur mit dem Minimum ben tigter Module konfigu riert um ihn m glichst schlank zu halten Es werden im Folgenden nicht alle Module einzeln aufgez hlt sondern beschrieben welche Unterst tzungen unab dingbar sind und welche Standardmodule eines normalen Linux Kernels nicht 3 2 Die Software GTRolland 35 installiert werden Es wird keine Unterst tzung der Soundkarte des CD beziehungsweise des DVD Laufwerks und keine Plug and Play Unterstiitzung installiert Im Gegen satz zu normalen Linux Systemen wird nur das ReiserFS Dateisystem und keine weiteren Linux CD oder Microsoft Dateisysteme unterstiitzt Des Weiteren werden unterst t
105. n realisieren In der Robotik ist genau der entgegengesetzte Fall erforderlich Es ist von Vorteil wenn Fahrbefehle schnell umgesetzt werden um der Software eine ma ximale Kontrolle ber den Roboter zu geben Da der Rolland III eine Testplattform der Robotik ist wurden sehr direkte Fahrwerte eingestellt Daf r war ein spezielles Patch der Fahreigenschaften des Meyra Champs erforderlich welches der Hersteller bereit stellte Es ist also m glich dem Rolland III mit einem Fahrbefehl eine Beschleunigung und im n chsten eine Bremsung zu befehlen Diese Befehle werden umgehend umge setzt Kein normaler Rollstuhl des Herstellers kann diese Fahrwerte einstellen Beim HNF Rolland wurde kein Patch aufgespielt Es sind also Fahrwerte ei nes handels blichen Meyra Champs eingestellt Es wurden die direktesten nor mal einstellbaren Fahrwerte gew hlt Diese sind immer noch deutlich weicher 4 2 Fahrverhalten bei der SAMSafetyLayer des Rolland III 47 als beim Rolland II Wird beim HNF Rolland eine Beschleunigung und anschlie end eine Brem sung befohlen so wird vom Rollstuhl ein weicher bergang realisiert Diese Fahrwerte wurden f r den HNF Rolland ausgew hlt da er von unerfahrenen Museumsbesuchern bedient werden soll und diese nicht durch starke Beschleu nigungen und Bremsungen erschreckt oder verletzt werden sollen Besonders im Nahbereich verursachen diese Fahrwerte Probleme da der HNF Rolland die Reaktionen der Software auf die Hin
106. nd Dies k nnten die Abs tze von Schuhen sein die nicht vollst ndig auf den Fu st tzen stehen Hosenbeine die ber die Fu st tzen hinaus nach unten h ngen oder M ntel die ber die R ckenlehne gelegt werden Diese Gegenst nde werden als Hindernisse erkannt und k nnen jeden Fahrbefehl blockieren A Anhang Allgemeine Hinweise zur Sicherheit Laden Sie die Batterien niemals wenn der Hauptschalter eingeschaltet ist Stellen Sie den Bremsentriegelungshebel niemals auf Schieben wenn der Hauptschalter eingeschaltet ist Belasten Sie niemals die Fu st tzen mit dem vollen K rpergewicht Beachten Sie dies besonders beim Ein und Aussteigen Bitte beachten Sie zus tzlich alle Hinweise aus der Meyra Champ Bedienungsanleitung bersicht jais Joystick 2 Bedienmodul Batterie Lade Buchse auf der Unterseite Fu st tzen Laserscanner Hauptschalter an der Unterseite Lenkr der Antriebsr der SO Oi Bg Der Bremsentriegelungshebel befindet sich auf der linken Rollstuhlseite vor dem Antriebsrad Ganz nach vorne steht er auf Motorbetrieb Fahren ganz nach hinten steht er auf Schieben L sen der Bremse Laserscanner vorne Computer Bewegungssensormodul Champ Steuerungsmodul USB Anschl sse Sollten Sie die USB Anschl sse abziehen m ssen achten Sie auf die richtige Reihenfolge von links nach rechts Bewegungssensormodul Champ Steuerungsmodul USB Stick mit Betriebssystem DE A
107. nd III f r die Steuerung aus F r den HNF Rolland wird noch der Pin 5 zum Ein und Ausschalten ben tigt Pin 6 wird erst ben tigt seit der Entscheidung dem in ternen Joystick keine Priorit t zu geben N heres dazu wird im Abschnitt 2 1 4 beschrieben 2 1 4 Der Totmann Schalter Der Totmann Schalter ist eine Sicherung die verhindert dass der Rollstuhl sich in ungewollten Situationen bewegt Er ist rein elektrotechnisch umgesetzt und dient der Absicherung gegen m gliche Softwarefehler Sendet die Software Fahrbefehle ohne dass der Totmann Schalter die Motoren freigeschaltet hat so werden diese nicht umgesetzt Der Totmann Schalter sichert sowohl die Softwa re des Bedienmoduls als auch die des externen Joysticks Im Falle des Rollands ist der externe Joystick der Computer 20 2 Hardware Der Meyra Champ hat eine interne Bremse die manuell mit einem Hebel bedient werden kann Dieser Hebel sollte nach Herstellerangaben nur im aus geschalteten Zustand bet tigt werden und stellt den Rollstuhl von Motor auf Schiebebetrieb Die gleiche interne Bremse kann auch vom Totmann Schalter gel st werden und erm glicht dass die Fahrbefehle von den Motoren ausgef hrt werden Der Totmann Schalter wird vom internen Joystick geschaltet wenn sich dieser aus der Null Postion bewegt Dies erfolgt jedoch nur wenn dem internen Joystick auch eine Priorit t zugewiesen wurde Alternativ kann der Totmann Schalter geschaltet werden wenn der Pin 6 d
108. ng aus der Differenz des linken und des rechten Antriebsrades Demzufolge gibt es eine rechte und eine linke Geschwin digkeit Geschwindigkeiten werden daher in der Kollisionsvermeidung immer als Vektoren aus rechter und linker Geschwindigkeit dargestellt Wann immer Geschwindigkeiten vorkommen bei denen rechte und linke Geschwindigkeiten nicht erw hnt werden ist die 1 Norm dieses Vektors gemeint Die bisher in den Formeln verwendete Geschwindigkeit ergibt sich demnach wie folgt Vreal Viefereat ng Vrightreat 6 Vieftreal Geschwindigkeit des linkes Antriebsrades ermittelt durch einen Odometriesensor Vrightreal Geschwindigkeit des rechten Antriebsrades ermittelt durch einen Odometriesensor Die anderen Geschwindigkeiten ergeben sich entsprechend aus der Summe der Betr ge der Geschwindigkeiten des rechten und des linken Rades bezie hungsweise repr sentieren diese In den Berechnungen wird eine gerade Bewe gung also mit doppelter Geschwindigkeit dargestellt da die Geschwindigkeiten des rechten und linken Rades addiert werden Um die Stellung des Joysticks in diese Rechnung aufzunehmen muss dessen Stellung in diese Form umgerechnet werden Trotz des Differenzialantriebs des Meyra Champ besteht das Joysticksignal aus einem Wert f r die Geschwindig keit und einem f r die Lenkung Diese Werte liegen im Signal zwischen 63 und 63 Die Umrechnung in Werte die denen vom rechten und linken Rad entsprechen geschieht folgenderma
109. npaket ber die serielle Schnittstelle sen den muss um die Kommunikation aufzubauen Antwortet der Rollstuhl auf die ses Paket so ist die Kommunikation hergestellt und der Computer sendet nach jedem empfangenen Paket ein Datenpaket mit den n chsten Fahranweisungen Es ist ein Timeout definiert welches angibt in welcher Zeit ein Paket be antwortet wird Wurde dieses berschritten sendete das Protokoll das beim Rolland III zum Einsatz kam ein Default Paket um die Kommunikation sofort 44 3 Software Fahrbefehle Bewegung des Rollands Fahrbefehle x Bewegung des Rollands Abbildung 14 Latenz zwischen Fahrbefehlen und Bewegungen des Rollands Links gro e Latenz durch falsche Nutzung des Protokolls Rechts kleine Latenz durch optimale Nutzung des Protokolls X Achse Zeit im Aktualisierungstakt der GTRolland Software Y Achse Geschwindigkeit in wiederherzustellen Es wurden also zwei oder noch mehr Datenpakete gesen det ohne dass zwischendurch ein Paket vom Rollstuhl empfangen wurde Beim Einschalten des Rollstuhls kommt es jedoch immer zur berschreitung des Ti meouts da der Rollstuhl zun chst einen Selbsttest durchf hrt Beim Rolland III verursachte dies keine Probleme beim HNF Rolland hin gegen scheint es im Bedienmodul des Meyra Champ einen Puffer f r diese Da tenpakete zu geben So f hrt der Rollstuhl nicht den zuletzt empfangenen Fahr befehl aus sondern den ltesten im Puffer Der neue Fahrbefehl wir
110. oder noch im Ged chtnis der Kollisionskarte befindliche Hindernisse durchsucht Es wurde daher vermutet dass die Ausschwenkbewegung als gr er erachtet w rde als diese tats chlich ist Zur L sung wurden die virtuellen Sensoren f r das Ausschwenken gr ndlich berpr ft und auf ein Minimum reduziert In der Tat waren diese zuvor gr er 54 4 Evaluation des Fahrverhaltens als sie fiir ein sicheres Fahrverhalten sein mussten Au erdem wurde es als notwendig erachtet dass sich der Rollstuhl von einem Hindernis das sich innerhalb der Ausma e des Rollstuhls befindet wegbewegen kann Wie schon in Abschnitt 4 2 beschrieben sind die von der Software intern verwendeten Ausma e des Rollstuhls etwas gr er als diese tats chlich sind Stellt nun eine Person seinen Fu oder einen anderen Gegenstand sehr dicht an den Rollstuhl heran so soll es m glich sein sich von diesem wegzubewegen Zur L sung wurden die virtuellen Sensoren so ver ndert dass sie nur die H lf te der inneren Ausma e die sich in der Richtung der Fahrtbewegung befindet auf Hindernisse durchsucht In Verbindung mit den nderungen des Bremsverhaltens die in den Abschnit ten 4 5 2 und 4 5 3 beschrieben werden konnten zun chst keine Festfahrproble me mehr erkannt werden Dieses Problem trat jedoch vor der Auslieferung des HNF Rollands an das Heinz Nixdorf MuseumsForum noch einmal in Erschei nung Abschnitt 4 5 5 beschreibt dieses aufgetretene Ph nomen und
111. ol lision schon erkannt wurde Im Nahbereich ist es also m glich mehrfach den Rollstuhl in Richtung des Hindernisses zu beschleunigen was dazu f hrt dass sofort die n chste Vollbremsung eingeleitet wird Der Benutzer kann demnach den Rollstuhl ruckartig in Richtung des Hindernisses bewegen bis eine Kollision erkannt wird Auf dieses Ph nomen geht es zur ck dass eine Vollbremsung nicht unterbro chen wird und eine Nullstellung des internen Joysticks als Bedingung f r den Abbruch der Vollbremsung gefordert wird W rde die Vollbremsung wieder auf gehoben sobald die Hardbrakegrenze nicht mehr berschritten ist w rde der Rollstuhl w hrend des Bremsvorgangs mehrfach beschleunigen und anschlie Bend wieder eine Vollbremsung einleiten Dies w rde sich f r den Benutzer wie eine stotternde Bremsung anf hlen was nicht erw nscht ist Ein hnliches Ph nomen w rde auftreten wenn die Nullstellung des Joysticks nicht gefordert w re Zwar w rde die Vollbremsung bis zum Stillstand durch gef hrt das eben beschriebene Heranruckeln an Hindernisse w rde aber ohne Unterbrechung in einer stotternden Bewegung erfolgen Dies w re erst been det wenn die Software eine Kollision schon erkannt hat Da die Software aus Sicherheitsgr nden von leicht gr eren Ausma en des Rollstuhls ausgeht als dies tats chlich der Fall ist hei t das nicht dass wirklich schon eine Kollision stattgefunden hat Dieses Verhalten birgt Probleme mit bewegte
112. organg beschr nkt Auf der Systempartition wird nun das Gentoo Basissystem entpackt und der Paketmanager Portage konfiguriert Au erdem wird die Zeit und die Zeitzone eingestellt Der Kernel kann nun konfiguriert werden F r den HNF Rolland wird nicht der von Gentoo gelieferte Kernel sondern wie bereits erw hnt der RTLinux Kernel verwendet Eine genaue Beschreibung der Kernelkonfiguration findet sich im Abschnitt 3 1 5 Nun werden Systemeinstellungen vorgenommen wie die Konfiguration des Netzwerks und die fstab Tabelle die angibt welche Partitionen beim System start eingebunden werden sollen Daf r werden die Dateien etc conf d net und etc conf d hostname f r die Netzwerkkonfiguration beziehungsweise etc f stab f r die Partitionstabelle editiert Au erdem werden Geringf gigkeiten wie die Keymaps und das root Passwort eingestellt Auf alle optionalen Systemtools wird bei der Gentoo Installation f r den HNF Rolland verzichtet So enth lt das System keinen System Logger zum Protokollieren von Systemaktivit ten und keinen Cron Deamon zum geplanten Ausf hren von Tasks Es wird jedoch ein SSH Deamon installiert um den HNF Rolland leichter ber ein Netzwerk zu warten Als Bootmanager wird Lilo installiert weil es sich als leichter herausstellte 86 A Anhang mit Lilo von einem USB Stick zu booten als mit Grub In der Lilo Konfiguration gibt es nur eine Bootoption die nach einem Timeout von 0 Sekunden
113. r Rotationsgeschwindigkeit eine maximale Signalst rke berechnet Der Betrag der vom Joystick geforderten Si gnalst rke f r die Rotation wird damit verglichen Ist der Befehl des Joysticks gr er als die maximale Signalst rke wird anstelle des Joystickbefehls die ma ximale Signalst rke gesendet Fordert der Joystick eine negative Zahl als Signal wird die maximale Signalst rke vor dem Senden selbstverst ndlich negiert 400 rotation Sig maxsteering 20 Fe x 10 14 Vieftreal Vrightrea Vrotation ad 2 ae 1 15 e Si amp maxsteering maximale Signalst rke f r die Lenkung Vrotation Rotationsgeschwindigkeit Durch den Einsatz dieser Formel wird die Bewegung in der Rotation deutlich sanfter und gleichm iger Kollisionen k nnen mit demselben Algorithmus wie in jeder anderen Bewegung vermieden werden 4 5 5 Die letzten nderungen vor der Auslieferung Das Festfahrproblem Il Die bisher in Abschnitt 4 5 beschriebene Fahrverhalten l st alle bisher erkannten Probleme Die Bremsung erfolgt weich es ist m glich sehr nah und konstant reproduzierbar an Hindernisse heranzufahren und der Rollstuhl f hrt sich nicht fest Bis zu diesem Zeitpunkt wurde das Fahrverhalten jedoch nur von Personen die in die Entwicklung des Projektes Bremer autonomer Rollstuhl eingebun den sind getestet Das hat den Nachteil dass diese Personen sehr gut mit der Steuerung des Rollstuhls vertraut sind Sie kennen die Algorith
114. r und Lankenau 2000 und R fer und Lankenau 2002 Als zus tzliche Anwendung bietet der Rolland II ein Ausweichverhalten Lankenau und R fer 2001 F r die Kollisionsvermeidung und das Ausweichverhalten wurde die Strategie der virtuellen Sensoren erweitert Die virtuellen Sensoren des Rolland I haben eine feste Position und liefern den Abstand zum n chsten Hindernis Beim Rol land II wird f r jede m gliche Geschwindigkeit und Lenkbewegung vorberech net welche Zellen der Hinderniskarte die Gefahr einer Kollision bergen F r je de m gliche Bewegung werden nun die entsprechenden Indizes der Zellen in ei ner Liste gespeichert Diese werden so geordnet dass die n chsten Hindernisse zuerst erkannt werden Da diese Berechnung nicht w hrend der Laufzeit durch gef hrt wird wird im fahrenden Betrieb immer die kleinst m gliche Anzahl an Zellen durchsucht In der vorberechneten Liste werden zu jeder Zelle auch die Entfernungen zwischen Rollstuhl und dem Hindernis gespeichert so dass diese zur Laufzeit nur ausgelesen und nicht berechnet werden m ssen Dieses Vorge hen erm glicht hohe Genauigkeit bei guter Performance Lankenau und R fer 2001 Diese Strategie wird mit leichten Anpassungen auch beim Rolland IH und dem HNF Rolland eingesetzt 1 2 3 Der Rolland Ill Der Rolland III Mandel u a 2005 wurde 2003 gebaut siehe Abbildung 5 und revolutioniert die Sensorstrategie des Rolland I und II Statt Ultraschall sensoren werden
115. rd abh ngig von Geschwindigkeit und Lenkbe wegung vorberechnet welche Zellen der Gitterkarte nach kritischen Hindernis sen durchsucht werden m ssen Dabei wird eine Liste von Zellenindizes aufge baut die jene Zellen angibt welche kritische Hindernisse enthalten k nnten Ei ne solche Liste wird f r jede m gliche Orientierung des Rollstuhls in der Karte jede m gliche Bewegungsrichtung und jede m gliche Geschwindigkeit berech net Die Zellenindizes werden so sortiert dass beim berpr fen das dichteste Hindernis als erstes erkannt wird und somit bei der ersten Erkennung die ber pr fung abgebrochen werden kann Die Speicherung dieser Listen erfolgt in so genannten Kollisionstabellen In diesen wird zudem zu jeder Zelle der Abstand zum Rollstuhl bei der jeweiligen Orientierung des Rollstuhls gespeichert Aus den Kollisionstabellen wird demnach zur Laufzeit ausgelesen welche Zellen berhaupt gepr ft werden m ssen und wie gro der m gliche verbleiben de Bremsweg zum n chsten Hindernis ist Zur Laufzeit erfolgt somit nur noch die Auswertung dieser Informationen Auf dieser Grundlage wird die zu ver wendende sichere Geschwindigkeit f r den n chsten Geschwindigkeitsbefehl berechnet hnlich wie bei Fox u a 1997 wird nur der n chste Befehlsschritt betrachtet Aus der Tatsache dass diese Kollisionstabellen nicht zur Laufzeit berechnet werden ergibt sich dass die Ausma e des Rollstuhls keine runde Grundform haben m sse
116. rden Das Problem des Festfahrens das ebenfalls 44 4 der Testpersonen Probleme bereitete wurde wie in Abschnitt 4 2 beschrieben darauf zur ckgef hrt dass ein zu starkes Ausschwenken des Rollstuhls von der Software vermutet wur de Wie vermutet war es dieses Problem das die Benutzer am meisten irritierte Wenn nach dem Versuch einer frontalen Kollision und einer relativ langen Pause mit Loslassen des Joysticks die R ckw rtsbewegung verhindert wurde vermu teten einige Testpersonen sogar sie h tten etwas kaputtgemacht Dieses Problem stellte sich jedoch sp ter als noch komplexer dar Die Abschnitte 4 5 1 und 4 5 5 befassen sich intensiver mit diesem Problem In den F llen in denen sich der HNF Rolland auf freier Fl che festgefahren hat ist davon auszugehen dass sich Personen im Fahrweg des Rollstuhls befun den haben und eine Vollbremsung ausl sten die nicht durch die Nullstellung des Joysticks aufgehoben wurde Nach der nderung des Fahrverhaltens Abschnitt 4 5 bei dem auf dieses spezielle Problem nicht eingegangen wurde lie sich dieser Fehler nicht mehr reproduzieren Die Rotationssperre bei der Rotationen ohne ersichtliches Hindernis verhin dert wurden wurde darauf zur ckgef hrt dass der Blindbereich f r die vorderen Lenkr der zu klein war Dieser Blindbereich ist definiert damit die Lenkr der vom vorderen Laserscanner nicht als Hindernisse erkannt werden Bei ung ns tigem Stand ragten diese jedoch aus dem Bl
117. rf r sind die oben schon beschriebenen Ph nomene Reflexion und Cross Talk Um Cross Talk zu vermeiden wird beim Rolland II eine Feuerstrategie ein gesetzt bei der nur 2 Sensoren gleichzeitig Messungen durchf hren Es wird 1 2 Das Projekt Bremer autonomer Rollstuhl 11 dabei beachtet dass diese Sensoren m glichst weit auseinander liegen und in verschiedene Richtungen messen So feuert immer ein Sensor auf der rechten und einer auf der auf der linken Seite zugleich Eine Messung besteht somit aus mehreren Iterationen Mit 14 Iterationen kann man eine komplette Messung in die alle Sensoren eingebunden sind durchf hren Eine solche Messung dauert ca 0 5 Sekunden Um die Erkennung der Hindernisse f r die Kollisionsver meidung zu beschleunigen wird eine Auswahl der zu verwendenden Sensoren anhand der Bewegungsrichtung des Rollstuhls getroffen Ebenfalls spielt bei der Auswahl eine Rolle wie alt die letzte Messung des jeweiligen Sensors ist Dar ber hinaus wird forciert dass in der Richtung eines neu erkannten Hindernisses sofort eine zweite Messung stattfindet um Fehlmessungen schnell zu korrigie ren Lankenau und R fer 2001 Implementiert wurden wie beim Rolland I die Anwendungen Raumerfas sung Kollisionsvermeidung autonomes Fahren anhand von Karten und Land marken sowie die eigene Positionsbestimmung auf den Karten Lankenau und R fer 2002 und Lankenau u a 2003 und T rdurchfahrtsverhalten siehe R fe
118. riekas ten zu befestigen Dazu werden weitere L cher in die Kunststoffplatte gebohrt gem den Abst nden der Bohrungen im Batteriekasten Mit M5 Schrauben wird nun die Kunststoffplatte auf die Stahlplatte im Batteriekasten geschraubt 2 3 2 Belegung der Schnittstellen des MSM855 im Auslieferungszustand Im Auslieferungszustand des HNF Rolland ist die Belegung der Schnittstel len des MSM855 wie folgt ber die seriellen Schnittstellen sind die La serscanner mit dem Computer verbunden Die Odometrie und das Champ Steuerungsmodul sind ber die USB Schnittstellen verbunden Ein weiterer USB Steckplatz ist mit einem 2 Gigabyte USB Stick der als Festplatte f r das Betriebssystem fungiert belegt Die Sound und die Netzwerkkarte sind nicht installiert Ebenso ist die IDE Schnittstelle nicht belegt Die PS2 Stecker die auf eine Pin Reihe des Mainboards gesteckt werden m ssen sind ebenfalls nicht im Auslieferungszustand enthalten Sollten diese bei Wartungsarbeiten ben tigt werden kann man sie aufstecken oder einen USB PS2 Adapter auf den freien USB Steckplatz stecken 2 4 Die Laserscanner rotoScan ROD 4 von Leuze electronic Der beim HNF Rolland eingesetzte Laserscanner rotoScan ROD 4 Leu ze_electronic 2001 ist baugleich mit dem Laserscanner Siemens LS4 Sie mens 2003 des Rolland III Ausma e und Protokoll sind unver ndert Als typische Anwendungen gibt der Hersteller berstandskontrolle auf Trans portfahrzeugen sowie H
119. rt au tonomes Fahren und Ausweichverhalten sowie Sprachsteuerung oder neue Be dienmethoden werden im Museum nicht zur Schau gestellt Der HNF Rolland dient dem Zweck Museumsbesuchern zu demonstrieren wieweit heutzutage Methoden der Robotik in der Lage sind Menschen mit Be hinderungen mehr individuelle Mobilit t zu verschaffen 15 2 Hardware Dieser Abschnitt besch ftigt sich mit der Hardware des HNF Rollands Wie in der gesamten Arbeit werden dabei besonders die Unterschiede zwischen Rol land III und HNF Rolland hervorgehoben Beschrieben wird der Rollstuhl der eingesetzte Computer sowie die Senso ren und deren Halterungen Die Stromversorgung und die daraus resultierenden Probleme erhalten eigene Unterabschnitte 2 1 Der Rollstuhl Meyra Champ von Meyra Bei dem Meyra Champ Meyra 2005 handelt es sich um einen elektrischen Rollstuhl der f r die Bef rderung von Menschen mit Behinderungen konzipiert wurde die einen mechanischen Rollstuhl nicht ber l ngere Stecken aus eigener Kraft fahren k nnen Er ist f r den Indoor und Outdoorbereich konzipiert Angetrieben wird dieser Rollstuhl ber einen Differentialantrieb der Hinterr der Das hei t beide Antriebsr der haben einen eigenen Motor die Differenz der Bewegungen der einzelnen R der ergibt die Lenkbewegung Der Meyra Champ kann eine H chstgeschwindigkeit von 6 im erreichen F r die sehr enge Testumgebung im Museum wurde der HNF Rolland bei ca 2 im a
120. s diesen Anf ngen ein Projekt das es sich zur Aufgabe gemacht hat ltere Menschen und Menschen mit Behinde rungen die nicht in der Lage sind einen elektrischen Rollstuhl sicher zu ma n vrieren bei der kollisionsfreien Steuerung eines Rollstuhls zu unterst tzen Zu den Anwendungen geh ren Kollisionsvermeidung Ausweichverhalten und das Navigieren auf bekannten Karten Seit neuestem wird eine Sprachsteuerung entwickelt die es erm glicht Sprachbefehle zu geben um bekannte Wege zu befahren In der Entwicklung befinden sich ebenfalls zur Zeit Steuerungsmethoden die eine Neigung des Kopfes als Eingabe erm glichen Mandel u a 2007 sowie ein reaktives Ausweichverhalten In den letzten 12 Jahren wurden drei verschiedene Rollstuhlmodelle durch dieses Projekt zu intelligenten Rollst hlen und erhielten den Namen Rolland oder Bremer Autonomer Rollstuhl 1 2 1 Der Rolland Der Rolland I R fer 1997 wurde 1995 gebaut siehe Abbildung 3 Seine erste Funktion war eine Kollisionsvermeidung Diese hielt allerdings mit gro em Ab stand zu den Hindernissen an und funktionierte nur bei sehr geringer Geschwin digkeit Dar ber hinaus wurden einfachere Verhalten wie eine Wandverfolgung implementiert Diese Anwendungen werden sp ter ausf hrlicher erw hnt F r den Rolland I wurde der handels bliche elektrische Rollstuhl Meyra Mo dell 3 422 eingesetzt Dieser Rollstuhl hat eine feste Vorderachse ber die er angetrieben wir
121. schlie end die GTRolland Software Diese startet nun den Rollstuhl der seinerseits zun chst einen Selbsttest durchf hrt Hat die Software eine Verbindung zu allen Hardwaremodulen aufgebaut und melden diese keine Fehler l sst sie die Hupe des Meyra Champ f r eine Zehn telsekunde ert nen Dies ist das Zeichen f r einen erfolgreichen Start Sollten beim Prozess der Inbetriebnahme des HNF Rollands Fehler aufgetre ten sein werden diese durch Fehlercodes signalisiert um m gliche Fehlerquel len aufzuzeigen Bei Problemen mit den Laserscannern blinken die Blinklichter des Champs links f r den vorderen rechts f r den hinteren Scanner Bei Pro blemen mit der Odometrie blinkt die Lichtanlage Nach dem Auftreten eines Fehlers werden alle Fahrbefehle aus Sicherheitsgr nden unterbunden Diese Fehlercodes wurden definiert um Museumsmitarbeitern ein Beheben von einfachen Fehlern ohne R cksprache mit DFKI Mitarbeitern zu erm gli chen beziehungsweise um DFKI Mitarbeitern eine grobe Fehleranalyse zu er m glichen ohne vor Ort zu sein Die Bedienungsanleitung die den Mitarbeitern der Ausstellung Computer Medizin mitgeliefert wurde findet sich im Anhang A 4 30 2 Hardware 2 7 Masseschleife als besondere Schwierigkeit Die Tatsache dass resultierend aus der Parallelschaltung aller Module jedes Modul das an die Stromversorgung angeschlossen ist dieselbe Masse besitzt birgt Risiken und erschwert zum Teil die Fehleranalyse D
122. schwarze Stoffe ohne Konturen Letzteres tritt jedoch extrem selten auf Diese Objekte k nnen unter Umst nden nicht oder zumindest nicht bei jedem Scan erkannt werden F r eine Messung im gesamten Messbereich ben tigt der rotoScan ROD 4 40 ms Er kann 25 Messungen in einer Sekunde realisieren und sendet bei jeder Messung 528 Laserstrahlen aus Beide Laserscanner werden ber serielle RS323 Schnittstellen mit dem Com puter verbunden Sie senden mit einer Baudrate von 109 kBaud Bei dieser Baudrate werden f r die Kommunikation f nf Laserstrahlen zusammen gefasst Durch eine nderung der Baudrate wird auch diese Aufl sung ver ndert Nach Herstellerangaben ist es nicht sicher die Laserscanner mit 109 kBaud ber eine RS323 Schnittstelle zu betreiben hierf r wird die RS422 Schnittstelle empfohlen Bei der Nutzung des Rolland III sowie des HNF Rolland stellt sich der Betrieb mit einer bertragungsrate von 109 kBaud ber die RS323 Schnitt stelle als praktikabel heraus Dabei gehen keine Scans verloren 2 4 2 Halterungen der Laserscanner F r die Befestigung der Laserscanner werden Halterungen angefertigt die am Rahmen des Meyra Champ mit Aluminiummanschetten angebracht werden Beim Rolland III sind diese vorne wie hinten identisch An den Manschetten 2 5 Die Odometriesensoren MiniCoder GEL 248 von Lenord Bauer 25 Abbildung 10 Die Halterungen der Laserscanner Links Vorne Rechts Hinten werden die Halterungen eben
123. sstellung ergaben 5 5 Danksagungen 75 wurden gel st Der HNF Rolland kann so problemlos ber lange Zeit in Museen gezeigt werden Dar berhinaus besteht die M glichkeit ihn zum Mobilitatsge winn bei Menschen mit Behinderungen einzusetzen 5 5 Danksagungen Bedanken m chte ich mich bei meinen Gutachtern Prof Dr Bernd Krieg Br ckner und Dr Udo Frese f r die Bereitstellung des Themas meiner Diplom arbeit sowie Dr Thomas R fer der ebenfalls gro en Anteil an der Entstehung dieses Themas hatte F r die Hilfestellung bei allen Problemen die sich im Hard sowie im Soft warebereich ergaben danke ich Dr Udo Frese Dr Thomas R fer und Christian Mandel die immer ein offenes Ohr f r mich hatten und ohne deren Erfahrungen die Umsetzung f r mich nicht m glich gewesen w re Christoph Budelmann danke ich f r den Entwurf und die Umsetzung der elek trischen Schaltungen f r das Watchdog und das Odometriemodul Ebenfalls danke ich den Mitarbeitern der Werkstatt der AG Robotik an der Universit t Bremen die mir professionelle Anleitung zum Bau aller Sensorhal terungen gaben Dank geb hrt auch den Mitarbeitern des Heinz Nixdorf MuseumsForums die es erm glichten den HNF Rolland in der Ausstellung Computer Medizin zu zeigen und die mir immer die volle Unterst tzung bei der Evaluation und den letzten Anpassungen in der Ausstellung gaben Besonders m chte an dieser Stel le Herrn Mikolajzek Kurator im Heinz Nixdorf
124. stabel len die vorher nicht aufgetreten waren so dass leichte Programm nderungen sich nicht umgehen lie en Die maximal sichere Geschwindigkeit die zur Laufzeit aus den Kollisionsta bellen ausgelesen wird wird eingesetzt um den n chsten Fahrbefehl sicher zu gestalten Das daraus resultierende Fahrverhalten hat verschiedene Ziele beim Rolland II und dem HNF Rolland Abschnitt 4 besch ftigt sich im Folgenden ausf hrlich mit diesen Zielen und dem daraus resultierenden Fahrverhalten 3 5 nderungen im Protokoll des Bedienmoduls Bei dem Rolland III und dem HNF Rolland verh lt sich das Protokoll ber wel ches der Rollstuhl angesteuert wird divergent Dies ist jedoch nicht mit einem grundlegend ver nderten Protokoll zu erkl ren Alle nderungen sind bereits in der von Meyra bereitgestellten Dokumentation des Protokolls zu finden die f r den Rolland III verwendet wurde Das Bedienmodul des HNF Rollands ist jedoch restriktiver Das f r den HNF Rolland eingesetzte Protokoll funktioniert auch beim Rolland III das vorher f r den Rolland III verwendete jedoch nicht beim HNF Rolland So muss beim HNF Rolland ein Bit des Protokolls gesetzt werden damit die Werte des internen Joysticks des Meyra Champs ber die serielle Schnittstelle an den Computer gesendet werden Beim Rolland III wurden diese in jedem Fall gesendet Au erdem ist das Protokoll so beschrieben dass der Computer nach dem Ein schalten des Rollstuhls sofort ein Date
125. sverzeichnis NAYANDNNFPWNH 10 11 12 13 14 15 Plakat der Sonderausstellung Computer Medizin Das Heinz Nixdorf MuseumsForum Der Rolland I Bild aus R fer 1997 2 22 222 0 Der Rolland II Bild aus R fer 2002 Der Rolland IH Bild aus Mandel u a 2005 Der HNF Rolland 2 2 2 ded oe 2x2 22 0a a a aan Die baulichen Ver nderungen f r maximale Sicherheit der Be sucher Links Radkappen Mitte Fu st tzen Rechts Abdeckscheibe Das Bedienmodul des MeyraChamp Der MSM855 von Digital Logic Bild aus Digital Logic 2000 Die Halterungen der Laserscanner Links Vorne Rechts Hinten Die Raumaufteilung innerhalb des Batteriekastens Die toten Winkel des Rolland III und des HNF Rolland Bild aus Mandel u a 2005 2 2 2222 nn Die virtuellen Sensoren des Rolland II bei einer leichten Links kurve Bild aus Mandel u a 2005 2 2 222222 Latenz zwischen Fahrbefehlen und Bewegungen des Rollands Links gro e Latenz durch falsche Nutzung des Protokolls Rechts kleine Latenz durch optimale Nutzung des Protokolls X Achse Zeit im Aktualisierungstakt der GTRolland Software Y Achse Geschwindigkeit in 2 2 222000 Modifikation der Fahrbefehle im Bezug auf die reale Geschwin digkeit alle Angaben sind in u ee ie 10 12 14 17 18 22 25 29 41 42 44 16 Die Testumgebung f r den HNF Rolland in der Auss
126. t wie in Abschnitt 4 5 6 beschrieben wird Seit der Senkung der H chstgeschwindigkeit und der Polste rung der Fu st tzen k nnen Gefahren in dieser Situation ausgeschlossen wer den 4 5 nderungen des Fahrverhaltens nach dem Praxistest Wie in den vorangegangenen Abschnitten deutlich wurde h ngen die Proble me des Festfahrens des Heranruckelns an Hindernisse der Vollbremsung bis zum Stillstand und der geforderten Nullstellung des Joysticks zum Abbruch ei ner Vollbremsung eng miteinander zusammen Die zwei letzten Verhalten das Abbremsen bis zum Stillstand und die Nullstellung des Joysticks dienen ei ner gleichm igen Bremsbewegung und verhindern stotternde Phasen in dieser Besonders die stotternde Phase die nach einer Vollbremsung mehrere ruckar tige Bewegungen in Richtung des Hindernisses erm glichen w rde birgt beim HNF Rolland wie im Abschnitt 4 2 beschrieben die Gefahr von Kollisionen und f hrt unweigerlich zum Festfahren Das Problem des Festfahrens bedarf je doch noch einer besonderen Behandlung 4 5 1 Das Festfahrproblem Wie in dem Abschnitt 4 3 erw hnt war zun chst der einzige L sungsansatz f r das Problem des Festfahrens die virtuellen Sensoren zu ndern In Abschnitt 4 2 wird beschrieben dass diese nicht nur in Fahrtrichtung nach Hindernissen suchen sondern auch ein Ausschwenken auf der zur Bewegung hinteren Seite kontrollieren Au erdem wird die Fl che innerhalb der Rollstuhlausma e auf erkannte
127. t dynamischen Hin dernissen wie Personen eingesetzt Der Ansatz basiert darauf dass der Suchraum der n chsten Geschwindigkeit auf sichere Geschwindigkeiten reduziert wird Im Sinne der Entwickler bein haltet Geschwindigkeit sowohl die absolute als auch die rotierende Der Such raum besteht also aus Paaren von Geschwindigkeit und Lenkbewegung In die sem verbleiben nur Paare die nicht zu Kollisionen f hren Des Weiteren werden nur Fahrbefehlspaare ber cksichtigt welche im n chsten Zeitintervall erreicht werden K nnen Aus den verbleibenden Paaren im Suchraum wird nun jenes f r den n chsten Befehlsschritt ausgew hlt das eine Zielfunktion maximiert Diese optimiert die Summe aus Bewegungsrichtung auf das Hindernis Abstand zum n chsten Hindernis und maximaler Geschwindigkeit 3 4 Kollisionsvermeidung 39 Der Ansatz Stachniss und Burgard 2002 kritisiert den Dynamic Window Approach f r fehlende Weitsicht Durch die Maximierung der Zielfunktion wird bei weiter Entfernung zum Ziel oft eine sehr hohe Geschwindigkeit pr fe riert Diese ist jedoch hinderlich wenn in der momentanen Situation eine scharfe Kurve zur Durchfahrt eines Korridors oder einer T r gefordert ist In Stachniss und Burgard 2002 wird daher beschrieben den Dynamic Win dow Approach nur zu verwenden um den Suchraum des n chste Geschwindig keitsbefehls einzuschr nken F r die genaue Berechnung des n chsten Befehls wird
128. tellung Computer Medizin ye Saye Se hd ee ee pnt Be BOR 17 Verkehrspylon als Hindernis in der Testumgebung 18 Vereinfachte Darstellung des Problems mit Pylonen Roter Kreis Erkanntes Hindernis wei er Kreis das echte Hin dernis auf Bodenh he 2 2 2 nn n nen 19 Ein Museumsbesucher auf dem HNF Rolland 20 Schaltplan des Steuerungs und Watchdogmoduls von Christoph Budelmann 0 21 Manschetten zum Befestigen der Laserscannerhalterungen 22 Laserscannerhalterung vorne 4 23 Laserscannerhalterung hinten Tabellenverzeichnis 1 Ausma e und Gewicht des Meyra Champ Rolland HI und des HINF Rollands 22 0 2 2 242 a2 en 2 Belegung des CAN Bus beim Meyra Champ 3 Beobachtungen bei den Testpersonen im HNF Rolland 4 Erster Termin Wie bewerten Sie das Exponat und seine Be dienba rkeit 4 223 2 msn an ee ed 5 Erster Termin Wie bewerten Sie den Wert eines Rollstuhls mit Kollisionsvermeidung 2 2 2 nn 6 Verbesserungsvorschl ge f r den HNF Rolland 7 Zweiter Termin Wie bewerten Sie das Exponat und seine Be dienbarkeil 242 ah aaa ee a 8 Zweiter Termin Wie bewerten Sie den Wert eines Rollstuhls mit Kollisionsvermeidung 2 2 2 onen nignie Tur Ge Medizin u Lebensqualit t 44 a a a Abbildung 1 Plakat der Sonderausstellung Computer Medizin 1 Einf hrung 1 1
129. tens nach dem Praxistest 65 Abbildung 16 Die Testumgebung f r den HNF Rolland in der Ausstellung Compu ter Medizin Geschwindigkeit sind kleinere Fahranweisungen erforderlich Wie bei der Rota tionsgeschwindigkeit wird eine maximale Fahranweisung berechnet in diesem Fall f r die Geschwindigkeit Diese h ngt von der realen Geschwindigkeit des Rollstuhls ab die von den Sensoren gemessen wird berschreitet die Fahran weisung diesen Wert so wird er durch den der maximalen Fahranweisung er setzt Sollte der Joystick einen negativen Fahrbefehl senden so wird die maxi male Fahranweisung selbstverst ndlich negiert Hier wird nur die Berechnung der maximalen Fahranweisung aufgezeigt 400 ve x 10 400 en Sig maxspeed 30 bd Sig maxspeed maximale Signalst rke f r die Geschwindigkeit Durch den Einsatz dieser Formel wird die Maximalgeschwindigkeit des Roll stuhls auf ca 2 kin reduziert Dies ist ein guter Wert fiir die vorhandene sehr kleine Testumgebung in der viele Hindernisse stehen Das zweite Problem das sich nach dem Einsatz in der Ausstellung darstell te war etwas komplexer Es resultierte daraus dass in der Testumgebung keine Hindernisse mit senkrechten Kanten zum Einsatz kamen sondern Verkehrspy lonen siehe Abbildung 17 die eine Kegelform besitzen Das Problem besteht 66 4 Evaluation des Fahrverhaltens Abbildung 17 Verkehrspylon als Hindernis in der Testumgebung o Abbildung
130. tionSpeed 400 10 if absSteering gt maxSteering if driveRequest steering lt 0 driveRequest steering int maxSteering else driveRequest steering int maxSteering int absSpeed abs driveRequest speed double maxSpeed 30 400 realSpeed 400 10 if absSpeed gt maxSpeed if driveRequest speed lt 0 driveRequest speed int maxSpeed else driveRequest speed int maxSpeed void HNFSafetyLayer executeSafety bool oldIsSafetyBraking isSafetyBraking poseApplied toPose2DSpeed odometryPose const int toZeroLimit 10 if driveRequest steering lt toZeroLimit driveRequest steering toZeroLimit driveRequest steering 63 toZeroLimit 63 else if driveRequest steering gt toZeroLimit driveRequest steering toZeroLimit driveRequest steering 63 toZeroLimit 63 else driveRequest steering 0 double spdScale 1000 64 0 double vL double vR if driveRequest speed lt 0 vL spdScale driveRequest speed 2 driveRequest steering vR spdScale driveRequest speed 2 driveRequest steering else vL Scale driveRequest speed driveRequest steering vR spdScale driveRequest speed driveRequest steering I Ea double speedNorml poseApplied speedNorml double realSpeed fabs poseApplied speedLeftWheel poseApplied speedRightWheel 2 bool fast realSpeed gt 700 double rotationSpee
131. triebes in der Ausstellung Compu ter Medizin wurden weitere Probleme deutlich Da dem Projekt Bremer au tonomer Rollstuhl bis zur Auslieferung der genaue Aufbau der Testumgebung nicht bekannt war Konnte erst nach der Startphase auf diese Probleme einge gangen werden Die Probleme waren zum einen dass die Testfl che sehr kein ist und in ihr mehrere Hindernisse stehen siehe Abbildung 16 So stellte sich heraus dass der Rollstuhl sich fast immer in der Phase des Softbraking siehe Abschnitte 4 2 und 4 5 2 befand Nur in wenigen Situationen wurden die vollen Fahrbefehle ausgef hrt Dies bedeutete f r den Benutzer dass der Rollstuhl sich fast immer langsam bewegte und in nur wenigen Ausnahmen stark beschleunigte Es wurde entschieden dass es besser sei die Maximalgeschwindigkeit zu re duzieren so dass der Rollstuhl sich gleichm ig bewegt egal ob ein Hindernis in mittlerer Entfernung erkannt wird oder nicht Es wurde eine hnliche For mel zur Reduzierung der Maximalgeschwindigkeit verwendet wie zur Reduzie rung der Rotationsgeschwindigkeit die bereits in Abschnitt 4 5 4 beschrieben wurde Es wird dasselbe Verhalten zur berwindung des Rollwiderstandes be n tigt wie bei der Rotationsgeschwindigkeit Ebenso kann der Rollwiderstand sich stark vergr ern wenn die vorderen Lenkr der ung nstig stehen Es ist al so n tig aus dem Stand einen gr eren Fahrbefehl zu senden mit zunehmender 4 5 nderungen des Fahrverhal
132. ub mit dem jedes Hardwaremodul ver bunden ist Der Benutzer muss demzufolge nur einen USB Stecker mit seinem Laptop verbinden Als Anwendungen gibt es bis jetzt eine Kollisionsvermeidung Raumerfas sung und autonome Navigation auf bekannten Karten Mandel u a 2006 Als Erweiterung der autonomen Navigation gibt es eine Sprachsteuerung Ross u a 2004 Mit dieser ist es m glich sein Fahrtziel anzugeben zum Beispiel Badezim mer und der Rollstuhl steuert selbstst ndig dieses Ziel an Dies funktioniert wenn dem Sprachbefehl ein Ziel in der bekannten Karte zugeordnet ist Zur Zeit wird an einer Steuerung gearbeitet die es erm glicht dass der Fah rer durch das Neigen seines Kopfes den Rollstuhl lenkt Mandel u a 2007 Au erdem wird an einem reaktiven Ausweichverhalten gearbeitet 1 2 4 Der HNF Rolland Der HNF Rolland siehe Abbildung 6 wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit im Laufe des Jahres 2006 gebaut Er stellt weitgehend einen Nachbau des Rol land III dar Weil der Rolland III ein Prototyp f r Forschungszwecke ist und der HNF Rolland als Museumsexponat entwickelt wurde waren leichte nderun gen erforderlich Als Plattform dient weiterhin der Meyra Champ Modell 1 594 Die einzigen u eren Unterschiede sind ein neues Bedienmodul mit leicht ge ndertem Pro tokoll Das Fehlen des Therapietisches liegt daran dass der HNF Rolland nicht mit einem Laptop sondern wie bei den Vorg ngermodellen Rolland I und II mit e
133. uf wenn eine Kollision von der Software schon erkannt wurde Die virtuellen Sensoren testen nicht nur den vermuteten Fahrweg des Rollstuhl und die Bereiche in die er ausschwenkt sondern auch den Bereich auf dem der Rollstuhl steht Wird also ein Hindernis innerhalb der Ausma e des Rollstuhls erkannt oder ist dieses noch im Ged chtnis der Hin derniskarte so wird jeder Fahrbefehl untersagt Auch dieses Problem wird durch die weichen Fahrwerte des HNF Rollands noch verst rkt da es durch diese leichter zu Kollisionen beziehungsweise zu erkannten Kollisionen mit den gr eren internen Ausma en kommt 4 3 Ans tze und Ziele f r das Fahrverhaltens im Museum Wie schon in Abschnitt 4 2 beschrieben ist es erforderlich f r den HNF Rolland ein neues Fahrverhalten zu realisieren Zum einen aufgrund anderer Fahrwer te zum anderen um ein intuitives benutzerfreundliches Fahrverhalten umzu setzen Um das Fahrverhalten des Rolland III nicht zu ndern und weiter eine Kollisionsvermeidung f r die Fahrwerte des Rolland III bereitzustellen wurde f r den HNF Rolland aufbauend auf der SAMSafetyLayer eine HNFSafe tyLayer geschrieben F r die Fahrwerte muss es wie in Abschnitt 4 2 beschrieben unm glich sein nach einer Vollbremsung in Richtung des Hindernisses zu fahren Um den Be nutzer nicht dadurch zu irritieren dass der Rollstuhl weit vor dem Hindernis an h lt muss der Rollstuhl sich bis kurz vor dem Erkennen einer Kol
134. von R dern eines Einkaufswagens Der Her steller bezeichnet diese vorderen R der in seiner Bedienungsanleitung als Len kr der In dieser Arbeit wird diese Bezeichnung bernommen Es sollte jedoch nicht der Irrtum entstehen dass diese R der an der gewollten Lenkung beteiligt sind Sie sind absolut passiv und k nnen nur durch ihren Stand bei Fahrtrich tungs nderungen zu nicht beabsichtigten leichten Richtungs nderungen f hren Der Rolland III besitzt dar ber hinaus einen Therapietisch der nicht zur Stan dardausr stung des Champs geh rt jedoch vom Hersteller als Erweiterung an 1 2 Das Projekt Bremer autonomer Rollstuhl 13 geboten wird Als zus tzliche Hardware wurden an den Meyra Champ zwei Laserscanner Siemens LS4 eine Kamera und zwei Odometriesensoren MiniCoder GEL 248 angebaut Au erdem wurden zwei Lautsprecher und ein Mikrophon hinzuf gt Die Software l uft im Gegensatz zu Rolland I und II nicht auf einem einge bauten Computer sondern auf einem Laptop der auf den Therapietisch gestellt wird So ist es m glich dass verschiedene Anwendungen von verschiedenen Entwicklern geschrieben werden die alle ihren eigenen Laptop an den Rolland IH anschlie en Au erdem ist es dadurch m glich die Software im laufenden Betrieb des Rollands zu debuggen da ein Monitor f r den Benutzer sichtbar ist Um nicht jedes Hardwaremodul einzeln an den Laptop anzuschlie en enth lt der Rolland III zus tzlich einen USB H
135. wendi ge Prozesse laufen Auf diese Weise hat die Software GTRolland immer genug Prozesszeit um sicher zu laufen Die Software GTRolland selbst wurde entspre chend dem Betriebssystem angepasst Das Fahrverhalten wurde so optimiert dass selbst unerfahrene Benutzer keine Probleme haben den Rollstuhl zu bedienen Der HNF Rolland bremst sanft vor Hindernissen und bleibt immer in nahezu gleichem Abstand zu den Hindernis sen stehen Ein Festfahren des Rollstuhls kommt so nicht mehr zustande Leichte Unregelm igkeiten in der Bremsbewegung lassen sich aufgrund der weichen Fahrwerte die beim HNF Rolland auf Seiten des Meyra Champ einge stellt sind nicht vermeiden Tests des Fahrverhaltens des HNF Rollands auf dem Rolland III zeigen dass diese sich durch direktere Fahreinstellungen beseitigen lassen Zur Optimierung k nnte man zuk nftig die weichen Fahreinstellungen nicht von Seiten des Meyra Champs sondern von Seiten der GTRolland Softwa re realisieren Ph nomene im Fahrverhalten des Rolland III die nicht intuitiv und damit nicht benutzerfreundlich sind wurden beseitigt So zum Beispiel die Tatsache dass man beim Rolland III nach einer Vollbremsung noch weiter an das Hinder nis heranfahren kann oder dass man den Joystick nach einer Vollbremsung in die Nullstellung bringen muss um weiter fahren zu K nnen Der HNF Rolland erf llt alle Anforderungen die im Vorfeld an ihn gestellt wurden Auch Probleme die sich erst beim Einsatz in der Au
136. zt SCSI Disk und Emulation Unterst tzung USB Dateisystem und Massenspeicher alles um auf den USB Stick zugrei fen zu k nnen Unterst tzung von seriellen Verbindungen und USB Seriell Konvertern von den Konvertern werden mehr unterst tzt als ben tigt werden um Probleme bei einem eventuellen Austausch zu verhindern Netzwerkunter st tzung mit den entsprechenden Treibern f r die Netzwerkkarte und Power Management Unterst tzung auch wenn Letzteres nicht unbedingt erforderlich w re Als Prozessor ist wie im System vorhanden der Pentium 4 Celeron an gegeben Alle Module werden fest in den Kernel und nicht als nachladbare Module kompiliert Eine detalliertere Beschreibung der Konfiguration des Kernels befindet sich im Anhang A 6 3 2 Die Software GTRolland Der Software GTRolland liegt ein Framework zu Grunde welches es erm g licht f r Aufgaben mehrere L sungsvarianten zu liefern Die verschiedenen L sungsvarianten im folgenden Module genannt k nnen im laufenden Betrieb an und ausgeschaltet werden So ist es m glich dass Entwickler an verschie denen Aufgaben und Szenarien arbeiten und jeweils die f r ihre Aufgabe wich tigen Module laden ohne die Architektur der Software zu ver ndern Dar ber hinaus ist es m glich verschiedene L sungsans tze f r dasselbe Problem zu entwickeln Diese kann man abwechselnd im laufenden Betrieb testen um den st rksten Ansatz zu erkennen 3 2 1 GT200X Das Framework GT200X st
137. zu berechnende Form gebunden ist 3 4 3 Die virtuellen Sensoren des Rolland Il Der Ansatz welcher der Kollisionsvermeidung des Rolland III und des HNF Rollands am meisten hnelt ist aus offensichtlichen Gr nden die des Rollands II Lankenau und R fer 2001 Der Rolland II realisiert die Kollisionsvermeidung auf einer lokalen Hinder niskarte hnlich wie bei Schlegel 1998 Die globale Hindernissituation die 40 3 Software von den Sensoren erkannt wird wird in eine Gitterkarte der Gr e 402 cm x 402 cm bertragen Eine Zelle dieser Karte ist 3 cm x 3 cm gro Der Rollstuhl befindet sich immer in der Mitte dieser Karte Bewegt sich der Rollstuhl so wer den die Hindernisse in der Karte entsprechend der erkannten Bewegung durch die Odometriesensoren verschoben Bei Drehbewegungen des Rollstuhls wer den nicht die Hindernisse gedreht da dies zu rechenaufw ndig w re sondern der Rollstuhl wird entsprechend in der Mitte der Karte gedreht Durch die Einf hrung der Gitterkarte wird der Suchraum in dem nach kri tischen Hindernissen gesucht wird schon deutlich verringert Es bedeutet den noch einen zu gro en Umstand alle Zellen der Gitterkarte zur Laufzeit zu durch suchen Ebenso ist es zu zeitaufw ndig die Entfernungen zwischen Rollstuhl und jedem Hindernis zu berechnen da der Rolland keine runde Form besitzt Zur L sung dieses Problems werden Lookup Tables eingesetzt Diese nennen sich Virtuelle Sensoren Es wi

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