Entwurf einer nicht linearen Feedbackregelung für die DARPA机器人挑战赛

Im Dezember 2013 brach ein人形机器人durch eine Wand, räumte eine Tür frei, rollte einen Feuerwehrschlauch ab and schloss ihn and fuhr auf dem Homestead-Miami Speedway ein Nutzfahrzeug durch einen Hindernisparcours。

Die Regelungsalgorithmen des Roboters wurden von einem团队des麻省理工学院，DARPA机器人挑战赛(DRC) teilnahm, mit MATLAB^®和仿真软金宝app件^®entwickelt。diesel Wettbewerb soll die Forschung an Robotern, die in Gefahrenbereichen eigenständig Arbeiten durchführen können, anregen。自动机器人können安格维森werden, einfache Aufgaben eigenständig durchzuführen, wie zum Beispiel ein Lenkrad drehen oder einen Griff fassen。

Zwischen dem Erhalt des Roboters und dem Wettkampftag blieben dem Team weniger als fünf Monate Zeit, die Regelungsalgorithmen zu entwickeln, debuggen and testen。MATLAB和Simu金宝applink halfen dabei, diesen engen Zeitplan einzuhalten, denn so konnte das Team sehr anspruchsvolle, optimierungsbasierte Regelungsalgorithmen zügiger erstellen, als das mit C oder anderen maschinennahen Sprachen möglich gewesen wäre。

机器人mit Eleganz und Effizienz bewegen

殉职者für登刚果民主共和国战争eine Weiterführung der Forschungsaufgabe, Robotern elegere Bewegungen in der echten Welt zu ermöglichen。Das Ziel ist es, sowohl Laufroboter zu entwerfen, die这样gewandt wie芭蕾舞者，als auch unbemannte Luftfahrzeuge, die wie Vögel fliegen。机器机器人的问题。Diese zwingen Forscher, schwierige nichtlineare Regelungsprobleme zu lösen, die in vielen anderen Bereichen Anwendung finden werden。

在世界范围内überflügelt在世界范围内，世界范围内，世界范围内，世界范围内。在这段时间内，在这段时间内，在这段时间内Flügel在这段时间内Körper所以，在这段时间内，在这段时间内anströmenden在这段时间内。Dieses Manöver steigert den Luftwiderstand des Vogels durch die Vergrößerung der der Luftstrom ausgesetzten Oberfläche und durchdie Erzeugung eines Niederdruckluftbereichs hinter dem Flügel (Abbildung 1)。

Für das gewünschte schnelle Abbremsen werden Viskosität und Druckkraft gekoppelt。Das Manöver hat erhebliche Folgen: An den Flügeln kommt es zu einem Strömungsabriss，被bedeutet, dass es zu einem戏剧化的auftribverlust和möglicherweise auch zum Kontrollverlust kommt。Die air dynamik wd instabil (zeitlich veränderlich) und nicht-linear, wodurch es schwierig wd, Die air dynamischen Kräfte zu modellieren und genau vorherzusagen。Und doch setzen Vögel sich scheinbar mühelos auf Äste。直升机和飞机，起飞和着陆können, benötigen我的飞机和飞机起飞和着陆können, benötigen我的飞机起飞和着陆。爱本索的信和我的爱人，我的爱人，我的爱人;欧拉和福尔肯是一个航海者。

regelungssystem, die solche Leistungen nachhahmen, müssen anspruchsvolle logische Entscheidungen darüber treffen, wie der robot sicich bewegt and wohin。Obwohl die gleichengen, die die Systemkinematik and -dynamik beschreiben, nicht-linear sinind, habensie doch eine verwertbare Struktur。Viele können zum Beispiel in Form von rationalen多项式gleichengen beschrieben werden。Dadurch können wir leistungsstarke算法schreiben, die zur Beurteilung der Systemstabilität bei einer großen Vielfalt von Einsatzbedingungen numerische algebraische几何和konvexe优化verwenden。

Um einen kleinen Gleitsegler auf einem Draht zu landen, implementierten die Forscher mit MATLAB和Simu金宝applink einen标准的zur flugbahnotimierung和einen linearen zeitlich-veränderbaren Regler。我是说，我是在说，我是在说，我是在说，我是在说，我是在说。Durch eine rasche Evaluierung der Systemstabilität mithilfe des多项式Ansatzes, der als Stabilitätstrichter (Abbildung 2) dargestellt wid, entwarfen sie eine Reglerschar, die das Flugzeug aus einer Reihe verschiedener Ausgangsbedingungen verlässlich landdete。Damit kann das Flugzeug von jder Position aus在Richtung des Drahtes gestartwerden and es gelangt immer zu seinem Ziel。

为什么MATLAB ?

Als das Team die Arbeit für die DARPA机器人挑战赛开始了，stellten manche Kollegen den Einsatz einer interpretierten Sprache wie MATLAB in einer echtzeit -反馈- regelungsschleife in fragage。Sie hatten Bedenken, dass die MATLAB-Algorithmen nicht schnell genug ausgeführt würden和dass Unterbrechungen durch just -in-time kompilierung, Speicherbereinigung oder Hintergrundprozesse zu Jitter führen和die Zeitplanung beeinflussen könnten。

Nach sorgfältiger Prüfung diesel Aspekte stellte das Team fest, dass die MATLAB-Algorithmen auf einem PC mit 300hz oder mehr ausgeführt werden können und dass die zeitliche Genauigkeit den Anforderungen unseres Regelungsansatzes entsprach。Außerdem war bekannt, dass bei Bedarf zur Beschleunigung kritischer oder langsamer Komponenten c++代码在MATLAB-Simulationen verwendet werden konnte。Obwohl höhere Samplingraten和verlässlicheres定时登恩泽夫·冯·雷格伦根·恩泽芬，战争之泽尔，雷格勒mit ausreichender Robustheit zu恩泽芬，恩奥赫·尼德里格尔·恩泽恩恩·恩泽恩格尔·恩泽恩恩定时登·恩泽芬können。Das menschliche神经系统verarbeitet complex Bewegungen mit relativegeringer Bandbreite和hohen latenzeiten。Das Bemühen der Forscher ist es, Regler zu entwickeln, die genau Das le侦听können。

用MATLAB和Simulink进行动态涡流测量和仿真金宝app

• MATLAB ist eines der besten zur Verfügung stehenden Tools zur schnellen algorithm - prototypentwicklung für lineare代数。
• Die meisten kommerziellen Optimierungs-Solver, Die das Team benutzt, verfügen über eine MATLAB-Schnittstelle, Die es leicht macht, diese ausdem MATLAB-Code heraus aufzurufen。
• MATLAB和Simu金宝applink bieten zahlreiche Methoden zur Visualisierung von Daten, Simulationsergebnissen and der Bewegung虚拟机器人。
• 金宝appSimulink ermöglicht模Entwicklung anspruchsvoller模型，模集成von MATLAB-Klassen als - funktionen，模Anwendung von ODE-Solvern和模仿真von Hybridsystemen和Systemen，模diskontinuierliche和kontinuierliche Komponenten kombinieren。
  
• Viele der student im DRC-Team hatten MATLAB im Aufbaustudium bei Regelungen, kommuniksystem and Signalverarbeitung。

erste DRC-Veranstaltung: Lenken eines simulierten Roboters in einer virtuellen Umgebung

Die Teams, Die niht mit einem eigenen Roboter am DRC-Wettbewerb teilnehmen konnten, wurden zur Teilnahme and der Virtual Robotics Challenge eingeladen。大贝wurde under ter die Lupe genome men, wie die Softwareteams einen simulierten Roboter bei der Ausführung dreier Aufgaben in einer virtuellen Umgebung regelten。Sieben Finalteilnehmer diesel Runde rückten dann in die DRC-Probeläufe auf und konnten mit einem von DARPA zur Verfügung gestellten ATLAS-Roboter arbeiten。ATLAS是人形机器人mit液压系统，波士顿动力公司。

Die zu erfüllenden drei Aufgaben waren ziemlich komplex und standen in engem Zusammenhang mit den acht Aufgaben, Die der echte Roboter später im Wettbewerb erfüllen must。Der robot must ste zum Beispiel über unebenes, schwieriges Gelände laufen und mit einem Feuerwehrschlauch umgehen (Abbildung 3)。

Für den DRC-Wettbewerb mussten wir dafür sorgen, dass Ganzkörperbewegungsplanung und Regelungsalgorithmen für ATLAS schnell genug ausgeführt wurden, um in Echtzeit laufen zu können。贝姆·Betrieb在einer unbekannten Umgebung wurde robot angewiessen, eine Aufgabe auszuführen。雷格隆之死必须是机器人之死。Das wurde in MATLAB durch die Nutzung des Wissens über die Struktur des robots and die zu seiner Beschreibung verwendeten gleichengen erreicht。Über mechanische system wie Atlas ist bekannt, dass energy erhalten wild, die mass matrix positiv ist and dass die Dynamik des massschwerpunktes durch den Einfluss der Schwerkraft and Kontaktkräfte zwischen dem robot und Umgebung eindetig beestimmt wild。Die Gleichungen haben wicichtige Strukturbesonderheiten: Die Dynamik der rechten Hand ist mit der Dynamik des linken Fußes nur über Die Massenmatrix verbunden。

我的会议是我的特色，我的工作是我的团队。Bei diesem knappen Zeitplan must die Entwicklung schnell vonstattengehen。MATLAB konnten die Teilnehmer schnell complex Regelungsideen und Prototypen entwickeln und diese visuell debug。Für sie war das wichtiger als einen Code zu haben, der 2% oder auch 20% schneller läuft。

Zwei Monate nachdem das Team zu einem der sieben Gewinner der Virtual Robotics Challenge ernnant wurde erhielt es einen ATLAS-Roboter。

ATLAS ausder virtuellen Umgebung in die ecte Welt bringen

我的爱unerlässlich。In der zweiten Wettbewerbsphase waren nur fünf Monate Zeit, um den ATLAS-Roboter so zu programmieren, dass er acht Aufgaben ausführen konnte。大足gehörten Laufen auf unebenem Untergrund, Erklimmen einer Leiter, Freiräumen einer Tür, Durchbrechen einer Wand, Aufdrehen eines Ventils, Anschließen eines Feuerwehrschlauchs und Fahren eines Nutzfahrzeugs。Menschen durften den robot zwar lenken, allerdings nur über einen Kommunikationskanal mit niedriiger Bandbreite, wodurch eine gewisse Eigenständigkeit unbedingt erforderlich war。

Die Möglichkeit, Algorithmen mit MATLAB und 金宝appSimulink schnell umzusetzen und zu debuggen erwies sich als entscheidend dafür, eine Regelung zu erstellen, Die ATLAS durch derart complex Aufgaben führen kann。

Außerdem战争die工具箱Drake, die das Team zur Analyse der Roboterdynamik und für den Entwurf der Steuerungen in MATLAB gebaut hatte, ein wesentlicher Erfolgsfaktor。模具工具箱unterstützt Flugbahn- und Bewegungsfeedbackplanung, mehere Hardwareschnittstellen und Methoden zur Visualisierung, identifiierung und Schätzung。德雷克的开源软件和steht nun zum下载这苏珥是Verfugung。

Um die Bewegungen von ATLAS zu planen and andere Aufgabenstellungen während des Wettbewerbs zu erfüllen, liefen auf PCs fünf oder sechs voneinander getrennte MATLAB- und 金宝appSimulink-Prozesse。Diese Prozesse kommunizierten mit dem ATLAS-Roboter über UDP unter Verwendung von轻量级通信和编组(LCM)。数据编组和信息传递benötigen。

贝茨维Aufgaben kam der Wert der durch MATLAB和Simulink e金宝apprreichten Eigenständigkeit besonders zur Geltung。Als der ATLAS-Roboter eine Tür räumte, field ein eben von ihm zur Seite geräumtes Brett über seine Füße。ATLAS meistert viele Aufgaben, aber die运动学des Roboters machte das Berühren seiner Zehenspitzen zu einer großen Herausforderung。Das Team konnte dieen unerwarteten Rückschlag jedoch bewältigen, indem es vorgesehenen Ablauf abwich und ATLAS erfolgreich so steuerte, dass er Das Brett von seinen Füßen entfernte, bevor er die restlichen Trümmer beseitigte (Abbildung 4)。

他的嘴很甜。Das Team wusste, dass der Roboter gerade so in Das Auto passte, Das er fahren musste (Abbildung 5) und hatte keine praktische Möglichkeit, diese Aufgabe vorher in der Nähe des MIT-Campus zu testen。所以bleben lediglich 30 Minuten Zeit，嗯mit dem Auto und ATLAS zu experimentieren, bevor die 30-minütige Aufgabe begann。Keines der vorherigen Teams hatte es geschafft, das Auto über die Startlinie zu bewegen。Das Team konnte den Roboter aber dazu bringen, Das Lenkrad zu drehen, Das Gaspedal zu drücken und die Hälfte der vorgesehenen Strecke zurückzulegen, bevor die Zeit ablief。

我死在drdrunde

在书房DRC-Probeläufen erreichte das第四小队。天堂广场für die DRC-Endrunde, die für Juni 2015 geplant ist。在diesel Phase des Wettbewerbs muss der Roboter bei reduzierter Kommunikation zwischen dem Roboter und dem Team, das ihn服从，eine Reihe physischer Aufgaben ausführen。DARPA hat vor kurzem bekannt gegeben, dass dabei noch größerer Wert auf autonomes ageren des Roboters gelegt were。