Διακοπτικό Σύστημα Ελέγχου Κίνησης Ρομπότ με Χρήση Εκτίμησης Θέσης βάσει Συνόλου

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός διακοπτικού μηχανισμού μεταφόρτωσης υπολογιστικών διεργασιών στα άκρα του δικτύου, για ρομποτικές εφαρμογές της Βιομηχανίας 4.0. Οι εφαρμογές αυτές αφορούν κινητά ρομπότ τα οποία εκτελούν περίπλοκες διεργασίες, οι οποίες έχουν υψηλές απαιτήσεις τόσο σε χρονική απόκριση όσο και σε ασφάλεια. Σε αυτό το πλαίσιο, η μεταφόρτωση των διεργασιών στα άκρα του δικτύου επιτρέπει στα ρομπότ να ελαφρύνουν τον υπολογιστικό τους φόρτο, αναθέτοντας την εκτέλεση των παραπάνω διεργασιών σε μία ισχυρή υπολογιστική υποδομή σε κοντινή απόσταση. Στο σενάριο που εξετάζεται στην παρούσα διπλωματική εργασία θεωρούμε πως διαθέτουμε δύο υπολογιστικές διεργασίες που αφορούν τον εντοπισμού θέσης ενός κινητού ρομπότ: (i) έναν γρήγορο, τοπικά εκτελούμενο αλγόριθμο ο οποίος παρέχει μία αναξιόπιστη εκτίμηση για την ακριβή θέση και τον προσανατολισμό του ρομπότ και (ii) έναν χρονοβόρο, ωστόσο πιο ακριβή αλγόριθμο ο οποίος μπορεί να εκτελείται απομακρυσμένα στο άκρο του δικτύου. Ο σκοπός του διακοπτικού μηχανισμού είναι η απόφαση σε κάθε χρονική στιγμή για το εάν είναι απαραίτητη η χρήση του πιο χρονοβόρου αλγορίθμου προκειμένου το ρομπότ να αποκτήσει μία πιο ακριβή εκτίμηση της θέσης και του προσανατολισμού του ή εάν αρκεί η χρήση του τοπικού αλγορίθμου εντοπισμού θέσης. Ανάλογα με του τελικούς στόχους της ρομποτικής εφαρμογής, ο συγκεκριμένος μηχανισμός μπορεί να διαμορφωθεί κατάλληλα έτσι ώστε να παρέχει μία εξισορρόπηση μεταξύ της ακρίβειας που προσφέρεται από τον αλγόριθμο εντοπισμού θέσης που εκτελείται απομακρυσμένα στην άκρη του δικτύου και της υπολογιστικής ταχύτητας που προσφέρεται από τον αλγόριθμο εντοπισμού θέσης που εκτελείται τοπικά στο ρομπότ. Για την ανάπτυξη του διακοπτικού μηχανισμού πραγματοποιήθηκε η σχεδίαση και υλοποίηση ενός αλγορίθμου απόφασης μεταφόρτωσης υπολογιστικών διεργασιών, ο οποίος λαμβάνει υπόψιν του την δυναμική φύση των κινήσεων του ρομπότ και αντιμετωπίζει την αβεβαιότητά που υπάρχει στον ακριβή εντοπισμό της θέσης του στο χρόνο. Πιο συγκεκριμένα, η απόφαση για τη μεταφόρτωση λαμβάνεται βάσει της αβεβαιότητας ως προς την τρέχουσα θέση του ρομπότ, την εγγύτητα του ρομπότ σε εμπόδια που βρίσκονται στον χώρο της κίνησης του αλλά και την δυσκολία της διαδρομής που αυτό καλείται να ακολουθήσει. Ο βαθμός της αβεβαίοτητας που παρουσιάζει το ρομπότ σε κάθε χρονική στιγμή ως προς την ακριβή του θέση λαμβάνεται μέσω μίας προσεγγιστικής τεχνικής η οποία χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από την οδομετρία του ρομπότ και τα ενσωματώνει σε ένα αντίστροφο μοντέλο κίνησης στο οποίο έχουν προστεθεί μεταβλητές θορύβου οι οποίες προσομοιώνουν τους τύπους της αβεβαιότητας που υπάρχουν στην κίνηση του ρομπότ. Μέσω του μοντέλου αυτού, υπολογίζεται σε κάθε χρονική στιμγή ένα σύνολο δειγμάτων το οποίο περιέχει προσεγγιστικά όλες τις πιθανές στάσεις στις οποίες μπορεί να βρίσκεται το ρομπότ την συγκεκριμένη χρονική στιγμή με βάση το σύνολο δειγμάτων που έχουν προκύψει από την προηγούμενη χρονική στιγμή. Το εμβαδόν που καταλαμβάνει το συγκεκριμένο σύνολο μεγαλώνει με την κίνηση του ρομπότ καθώς τα δείγματα του διασκορπίζονται σε ένα αυξανόμενο μεγάλο χώρο. ΄Ετσι το συγκεκριμένο εμβαδόν αποτελεί μία καλή μετρική που ποσοτικοποιεί τον βαθμό της αβεβαιότητας που υπάρχει ως προς την ακριβή θέση του ρομπότ. Η αξιολόγηση ολόκληρου του διακοπτικού μηχανισμού πραγματοποιήθηκε σε περιβάλλον προσομοίωσης χρησιμοποιώντας ένα κινητό ρομπότ διαφορικής οδήγησης το οποίο επιθυμεί να μεταβεί από μία γνωστή αρχική θέση σε μία γνωστή τελική θέση. Προκειμένου το ρομπότ να καταφέρει να φτάσει με επιτυχία στην τελική θέση, χρησιμοποιήθηκαν γνωστοί αλγόριθμοι τόσο για τον σχεδιασμό της διαδρομής που πρέπει να ακολουθήσει όσο και για την παρακολούθηση της διαδρομής αυτής.