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Pfadplanung und Hindernisumfahrung

Das Softwaremodul zur Pfadplanung ermöglicht es einem mobilen Roboter, seinen Weg durch die Einsatzumgebung zu finden und sinnvoll auf verschiedene Probleme zu reagieren. Dazu werden die vorher ermittelte aktuelle Position und die in der Umgebungskarte hinterlegten Informationen verwendet und um die aktuellen Sensordaten ergänzt. Dadurch kann der Roboter auch auf unerwartete oder bewegliche Hindernisse reagieren. Wenn zusätzlich noch eine virtuelle Straßenkarte (Roadmap genannt) angelegt wurde, kann das Verhalten des Roboters noch besser gesteuert werden.

Durch die verschiedenen Kombinationen dieser Informationsquellen und Funktionen lassen sich die vier wichtigsten Bewegungsmodi realisieren.

Freie Navigation

Bei der freien Navigation plant der Roboter seine Pfade allein auf Basis der gespeicherten Umgebungskarte und der aktuellen Sensordaten. Er versucht dann, den kürzesten Weg zum Ziel zu finden und dabei alle statischen Hindernisse zu umgehen. Diesem Weg folgt er dann, bis er entweder auf ein bisher unbekanntes Hindernis stößt, oder ein vorher versperrter Weg frei wird. In diesem Moment wird der Pfad neu geplant und entweder um eine Ausweichroute ergänzt oder um die neu frei gewordene Abkürzung verkürzt.

Dieser Pfadplanungsmodus ist zwar der flexibelste, aber unter Umständen auch der ineffizienteste und der, der besondere Sorgfalt beim Erstellen der Umgebungskarten erfordert. Problematisch wird es immer dann, wenn Bereiche, die der Roboter nicht befahren soll, in der Karte nicht vollständig durch sichtbare Hindernisse oder Verbotszonen blockiert sind, und der aus Sicht des Roboters optimale Weg zufällig durch sie hindurch führt.

Ein anderes Problem ergibt sich, wenn das Ziel real gar nicht erreicht werden kann, die Umgebungskarte des Roboters diese Information aber nicht enthält. Der Roboter wird dann so lange zum Ziel fahren, bis er mit den Sensoren feststellt, dass der Weg im Augenblick versperrt ist. Daraufhin wird ein neuer Pfad geplant, der durch, laut der unvollständigen Karte, freie Bereiche führt. Dieser Zyklus kann prinzipiell beliebig lange dauern, falls es immer einen Weg gibt, der weder durch gerade sichtbare Hindernisse noch durch Hindernisse in der Karte versperrt ist.

Pfadgebundene Navigation

Die pfadgebundene Navigation ist das genaue Gegenstück zur freien Navigation. Dazu müssen in der sogenannten Roadmap zuerst die möglichen Zielpositionen und die erlaubten Routen definiert werden, mit denen die Zielpositionen verbunden werden. Die Routen setzen sich immer aus geraden Teilstücken zusammen, die durch Eckpunkte verbunden sind.

Der Roboter wird dann auf kürzestem Wege auf die definierte Strecke fahren und sie nicht mehr verlassen. Falls ein Hindernis auf dem Pfad erkannt wird, wartet der Roboter, bis die Strecke wieder frei wird.

Intelligente Navigation

Durch die Kombination von freier und pfadgebundener Navigation ergibt sich die für die meisten Anwendungen sinnvollste Lösung. Dabei folgt der Roboter soweit möglich den vorgegebenen Routen, fährt also immer entlang einer sicheren und bekannten Strecke. So wird der Einsatz sehr gut planbar und Konflikte können vorausschauend vermieden werden. Falls doch einmal ein Hindernis auf dem Pfad auftaucht, kann der Roboter die vordefinierte Route aber verlassen, das Hindernis umfahren und seine Fahrt dahinter ohne großen Zeitverlust wieder aufnehmen.

Direkt kontrollierte Bewegungen

Die direkte Kontrolle der Bewegungen ist eigentlich nur für Forscher interessant. Bei manchen Anwendungen kann es zum Beispiel notwendig sein, den Roboter um eine genau vorgegebene Distanz in eine ganz bestimmte Richtung zu bewegen, etwa wenn der Arbeitsraum eines auf dem mobilen Roboter montierten Roboterarmes oder Sensors neu ausgerichtet werden muss.

Dafür eigenen sich omnidirektionale Roboter wie der MPO-500 oder der MPO-700 besonders gut, da sie Flächenbewegungen ohne Drehungen erlauben.