Konzeption, Implementierung und Evaluation eines Hardwaremoduls für die Follow-the-Leader-Steuerung eines schlangenartigen Roboters

Am Fachgebiet für Architekturen und Systeme des Instituts für Mikroelektronische Systeme werden angepasste Hardwarearchitekturen für Algorithmen mit hohen Rechenzeitkomplexitäten sowie Latenzanforderungen konzeptioniert, auf rekonfigurierbare Architekturen abgebildet und evaluiert. Im Unterschied dazu, werden am Institut für Mechatronische Systeme unter anderem die Entwicklung, Modellierung  und Bewegungsplanung von mechatronischen Systemen vorangetrieben. 

In diesem Zusammenhang wird auch ein hyper-redundanter, schlangenartiger Roboter für die Endoskopie erforscht, bei dem ein vollaktuierter Endoskopschaft aus einzelnen neuartigen elektromagnetischen, bistabilen Kippaktoren aufgebaut wird. Dieser erlaubt, durch eine geeignete Anordnung einer Vielzahl von Aktoren, quasi-kontinuierliche Bewegungen des Gesamtsystems und bei gleichzeitig sehr hoher Steifigkeit.  Die Steuerung des Endoskops erfolgt anhand des „Follow-the-Leader“-Prinzips, wodurch eine intuitive Pfadverfolgung erreicht wird. Dabei wird lediglich der Zustand des Aktors, der am nächsten am Endeffektor ist, manuell gesetzt. Bei aktiviertem Vorschub nehmen die folgenden Aktoren automatisch die Konfiguration des Aktors ein, der zuvor an dieser Position war. Durch die bistabilen Einzelaktoren müssen jedoch mittels Optimierung ideale Schaltsequenzen berechnet werden, damit durchgängig nur geringe Abweichungen zum Referenzpfad erzielt werden.

Auf Grund der Komplexität des „Follow-the-Leader“-Algorithmus ist jedoch zurzeit keine schritthaltende Berechnung während des Vorschubs möglich: Mit zunehmender Anzahl an Aktorelementen nimmt die Größe des Parameterraums deutlich zu, sodass insbesondere für lange Aktorketten hohe Rechenzeiten resultieren. So wird in Kooperation beider Institute im Rahmen dieser Arbeit die Konzeptionierung, Implementierung und Evaluation eines dedizierten Hardwaremoduls für die Bewegungsplanung angestrebt.

Daher soll zunächst ein Konzept für ein Hardwaremodul, welches die Berechnung der Kostenfunktion realisiert, erstellt werden. Dieses soll auf Festkomma-Arithmetik basieren und eine massiv parallele Berechnung der Kostenfunktion ermöglichen. Anschließend erfolgt die Einbindung in ein bestehendes Matlab System mittels des zur Verfügung stehenden uemu-Frameworks, sowie die Evaluation des Hardwaremoduls im Hinblick auf numerische Fehler, den erreichbaren Speedup sowie benötigte Hardware-Ressourcen. Im nächsten Schritt soll die Optimierung der Schaltsequenzen in ein Hardwaremodul umgesetzt werden um Nachteile der Verbindung zwischen Hardware-Modul und Host-System zu vermeiden. Es soll ein Gesamtkonzept bestehend aus den Modulen für Kostenfunktion und Optimierung erarbeitet werden. Die Evaluation des Konzepts schließt diese Arbeit mit der Beantwortung der Frage nach dem Zugewinn an erreichbarer Pfadtreue unter Berücksichtigung der benötigten Rechenzeit ab.