Simulation eines Mäh- bzw. Putzroboters

Der Roboter sollte einen Raum möglichst effektiv abfahren. Bei einem Putzroboter schadet es nicht, wenn er stark verschmutzte Stellen öfters abfährt. 

Der Roboter verfügt  über mehr oder weniger intelligente Strategien, die je nach den Gegebenheiten angewendet werden können.

Strategien

Strategien

Die Chaosstrategien:

  • Amöbenstrategie: Der Roboter fährt so lange vorwärts, bis er an einem Hindernis anstößt. Dann ändert er zufällig seine Richtung und fährt weiter.
  • Zufallsstrategie: Der Roboter fährt vorwärts. Nach einer zufällig bestimmten Zeit ändert er zufällig seine Richtung.
  • Spiralstrategie: Der Roboter fährt ausgehend von einem Punkt spiralförmig nach außen, bis er auf ein Hindernis stößt. Dieses versucht er zu umfahren, um sich dann einen neuen Punkt auszusuchen, von wo aus er wieder mit der Spiralfahrt beginnt.

Vorteile: der Roboter braucht wenig Intelligenz und wenig Sensoren und ist dadurch billiger zu produzieren.
Nachteile: der Roboter könnte sich an Engstellen festfahren und einen bestimmten Bereich nicht mehr verlassen. Außerdem kann man nie sicher sein, dass auch wirklich alle Stellen der Fläche aufgesucht werden.


Weitere komplexere Strategien:

  • Wandverfolgungsstrategie: Der Roboter fährt zunächst an der Wand entlang. Hindernissen weicht er aus und fährt dann an der Wand weiter entlang.
    Vorteil: Die Randbereiche werden gesäubert. Der Roboter könnte so auch den Raum vermessen, um daraus eine Strategie zum Abfahren des Raumes zu entwickeln.
  • Spiralförmige Fahrt: Der Roboter fährt auf einer spiralförmigen Bahn. Dies macht der Roboter vor allem dann, wenn er eine größere freie Fläche erkennt, oder ein stark verschmutze Fläche erkannt wird.

Strategien nach Plan:

Planmäßige Fahrstrategie: Der Roboter erstellt mit Hilfe von Ultraschallsensoren, Beschleunigungssensoren und einer Kamera, welcher die Decke beobachtet und damit auch den Abstand zu den jeweiligen Wänden eine interne Karte des Raumes, auf der neben der Raumgeometrie auch Hindernisse (Möbel, ...) verzeichnet werden. Diese Karte nutzt er nach einer Einlernphase bei den nächsten Putzvorgängen, um so den Raum möglichst effektiv abfahren zu können.

Vorteil: die Wegstrecke ist optimiert, d.h. der Putzvorgang geht schneller, da keine Strecke doppelt gereinigt wird.
Nachteil: der Roboter braucht eine komplexere Sensorik, um den Raum und seine Position darin zu bestimmen.  

Quelle: http://www.akku-und-roboter-staubsauger.de/ratgeber/orientierung-im-raum/

Suchen der Ladestation

Suchen der Ladestation

Der Mähroboter kann auf eine oder mehr von drei verschiedenen Suchmethoden eingestellt werden, um die Ladestation zu finden. Der Mähroboter kombiniert diese drei Suchmethoden automatisch, um die Ladestation so schnell wie möglich zu finden und dabei unnötige Spurenbildung zu vermeiden.

Mit den manuellen Einstellungsmöglichkeiten können diese drei Sucharten kombiniert werden, um die Suche nach der Ladestation entsprechend der Form des betreffenden Gartens zu optimieren.

Suchmethode 1: Unregelmäßig Der Mähroboter bewegt sich in unregelmäßigen Richtungen, bis er in die Nähe der Ladestation kommt. Der Vorteil dieser Methode ist, dass keine Spuren des Mähroboters auf dem Rasen entstehen. Der Nachteil ist, dass die Suche etwas länger dauern kann.

Suchmethode 2: Dem Suchkabel folgen Der Mähroboter bewegt sich in unregelmäßigen Richtungen, bis er das Suchkabel erreicht hat. Dann folgt der Mähroboter dem Suchkabel bis zur Ladestation. Das Suchkabel ist ein Kabel, das von der Ladestation aus zu einem entlegenen Teil des Arbeitsbereichs oder durch eine schmale Passage verlegt und dann mit der Begrenzungsschleife verbunden wird.
Mit dieser Suchmethode ist es für den Mähroboter einfacher, die Ladestation hinter vielen oder großen Inseln, schmalen Passagen oder steilen Abhängen zu finden. Der Vorteil dieser Suchmethode ist die kürzere Suchdauer.

Suchmethode 3: Dem Begrenzungskabel folgen Der Mähroboter bewegt sich in unregelmäßigen Richtungen, bis er das Begrenzungskabel erreicht hat. Dann folgt der Mähroboter dem Begrenzungskabel bis zur Ladestation. Der Mähroboter entscheidet nach dem Zufallsprinzip, ob er sich im oder gegen den Uhrzeigersinn bewegt. Diese Suchmethode eignet sich für eine Installation mit weiter offener Rasenfläche, breiten Passagen (breiter als 3 Meter) und wenigen kleinen oder keinen Inseln. Der Vorteil dieser Suchmethode ist, dass die Installation eines Suchkabels entfällt. Der Nachteil ist, dass entlang des Begrenzungskabels einige Spuren im Rasen entstehen können. Außerdem erhöht sich die Suchdauer bei einer Installation mit schmalen Passagen oder mehreren Inseln. Zur Orientierung: Diese Suchmethode wird nur dann verwendet, wenn der Mähroboter die Ladestation innerhalb des erwarteten Zeitraumes nicht mit Methode 1 oder 2 finden kann.

Quelle: https://www.haushalts-robotic.de/products/1322/automower-310.pdf

Aufgabe

  1. Simuliere mit Hilfe von Scratch einen Mähroboter, der nach den verschiedenen Strategien arbeitet..
  2. Welche ist die Beste?
  3. Wie kann man dies messen? Beachte die Hinweise zu Experimenten

Aufgaben zur Amoebenstrategie

In der Amoebenstrategie ändert der Roboter seine Richtung zufällig oder wenn er an ein Hindernis anstößt.

Das Verhalten des Roboters hängt also von der zufälligen Drehzahl und der zufälligen Schrittzahl aus. Diese Zufallszahlen können durch festgelegte Intervalle beeinflußt werden.

 

Aufgabe: Der Einfluss des Intervalls für den Drehwinkel soll untersucht werden. Dokumentiere deine Messergebnisse übersichtlich.

Versuchsbeschreibung:

files/Roboter/scratch/Aufgaben/Rasenmaeher/Versuchsbeschreibung/Bild4.pngAlle Versuche sollen von der gleichen Ausgangssituation ausgehen. Das grüne Feld ist umgeben durch 4 braune Striche. 

Man muss darauf achten, dass sich die Hindernisse immer an der gleichen Position befinden und der Roboter immer an der gleichen Stelle startet. 

Damit es etwas schneller geht stellt man denTurbomodus ein.

Verwendet man die vorgegebene Datei, so sollte alles schon eingestellt sein.

 

 

Wir gehen davon aus, dass der Roboter mit gleichbleibender Geschwindigkeit fährt. Statt einer Zeitvorgabe geben wir eine Schrittfolge vor (evtl. 75000), da die Geschwindigkeit wegen unterschiedliche Prozessorauslastung schwankt.

Auswertung mit Photoshop:

files/Roboter/scratch/Aufgaben/Rasenmaeher/Versuchsbeschreibung/Bild5.png Zur Auswertung wertet man die verschieden farbigen Pixel aus. Hierzu wird untersucht wie viele Pixel es mit einem bestimmten r,g oder b-Wert gibt. Dies kann mit Photoshop mit Hilfe des Histogramms untersucht werden. 

Bedeutung

Farbe

RGB - Wert

Gemäht

Weiß

255,255,255

Hindernis

Braun

102,59,0

Nicht gemäht

grün

0,102,34