Elementy robotyki dla początkujących Żory

Elementy robotyki dla początkujących Robotyka jest bardzo ciekawą dziedziną inżynierii o ogromnym znaczeniu praktycznym. Wymaga znajomości kilku dyscyplin wiedzy, takich jak algorytmika, matematyka czy mechanika. Równocześnie roboty oddziałują na wyobraźnię i są przedmiotem zainteresowania uczniów na każdym poziomie edukacji, od przedszkolnego po uniwersytecki. O ile jednak początkowe zapoznawanie się z robotami polega głównie na zabawie i eksperymentach, o tyle poważniejsze studiowanie robotyki oznacza konieczność przyswojenia złożonych zagadnień, takich jak algorytmy robotyczne. W tej książce gruntownie wyjaśniono reguły robotyki, pokazano także, w jaki sposób przechodzi się od teoretycznych algorytmów do działania rzeczywistego robota. Znajdziemy tutaj przegląd różnego rodzaju robotów, jak również tworzących je podzespołów, jednak najważniejszą częścią publikacji jest omówienie algorytmów robotycznych - od odometrii i sterowania ze sprzężeniem zwrotnym po przetwarzanie obrazów i uczenie maszynowe. Poszczególne algorytmy zostały przedstawione za pomocą pseudokodu, co pozwoli na ich implementację w różnych językach programowania. Mogą zostać użyte w większości robotów edukacyjnych wyposażonych w dwusilnikowy napęd różnicowy, czujniki zbliżeniowe i moduł wyświetlania wyników użytkownikowi. Zawarty tu materiał pozwoli się dobrze przygotować do zaawansowanych studiów robotyki. W książce między innymi: roboty i ich zastosowanie czujniki i zachowanie reaktywne robota ruch robota i sterowanie nim nawigacja robota mobilnego: omijanie przeszkód i wykorzystywanie map zastosowanie sieci neuronowych i uczenia maszynowego w robotach robotyka roju i kinematyka manipulatora robotycznego Algorytmy robotyczne: zrozum i zaimplementuj! Spis treści: Przedmowa Rozdział 1. Roboty i ich zastosowania 1.1. Klasyfikacja robotów 1.2. Roboty przemysłowe 1.3. Autonomiczne roboty mobilne 1.4. Roboty humanoidalne 1.5. Roboty edukacyjne Gotowe roboty mobilne Zestawy robotyczne Ramiona robota Środowisko programistyczne 1.6. Robot ogólny 1.6.1. Napęd różnicowy 1.6.2. Czujniki zbliżeniowe 1.6.3. Czujniki podłoża 1.6.4. Wbudowany komputer 1.7. Formalizm algorytmiczny 1.8. Przegląd treści książki 1.9. Podsumowanie 1.10. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 2. Czujniki 2.1. Podział czujników 2.2. Czujniki odległości 2.2.1. Ultradźwiękowe czujniki odległości 2.2.2. Czujniki zbliżeniowe na podczerwień 2.2.3. Optyczne czujniki odległości 2.2.4. Czujniki triangulacyjne 2.2.5. Skanery laserowe 2.3. Kamery 2.4. Pozostałe czujniki 2.5. Zakres, rozdzielczość, precyzja, dokładność 2.6. Nieliniowość 2.6.1. Czujniki liniowe 2.6.2. Czujniki nieliniowe 2.7. Podsumowanie 2.8. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 3. Zachowanie reaktywne 3.1. Pojazdy Braitenberga 3.2. Reagowanie na wykrycie obiektu 3.3. Reagowanie i skręcanie 3.4. Podążanie za linią 3.4.1. Podążanie za linią za pomocą dwóch czujników podłoża 3.4.2. Podążanie za linią za pomocą tylko jednego czujnika podłoża 3.4.3. Bezgradientowe podążanie za linią 3.5. Prezentacja pojazdów Braitenberga 3.6. Podsumowanie 3.7. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 4. Maszyny stanów skończonych 4.1. Maszyny stanowe 4.2. Zachowanie reaktywne sterowane stanem 4.3. Szukaj i podjedź 4.4. Implementacja maszyn stanów skończonych 4.5. Podsumowanie 4.6. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 5. Ruch robota i odometria 5.1. Droga, prędkość i czas 5.2. Przyspieszenie jako zmiana prędkości 5.3. Od odcinków do ruchu ciągłego 5.4. Nawigacja za pomocą odometrii 5.5. Odometria liniowa 5.6. Odometryczne mierzenie zakrętów 5.7. Błędy odometryczne 5.8. Kodery (enkodery) kół 5.9. Bezwładnościowe systemy nawigacji 5.9.1. Akcelerometry (przyspieszeniomierze) 5.9.2. Żyroskopy 5.9.3. Zastosowania 5.11. Względna liczba elementów wykonawczych i stopni swobody 5.12. Ruch holonomiczny i nieholonomiczny 5.13. Podsumowanie 5.14. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 6. Sterowanie 6.1. Modele sterowania 6.1.1. Sterowanie w pętli otwartej 6.1.2. Sterowanie w pętli zamkniętej 6.1.3. Okres algorytmu sterowania 6.2. Sterowanie typu "on-off" 6.3. Regulator proporcjonalny 6.4. Regulator proporcjonalno-całkujący 6.5. Sterownik proporcjonalno-całkująco-różniczkujący 6.6. Podsumowanie 6.7. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 7. Nawigacja lokalna: omijanie przeszkód 7.1. Unikanie przeszkód 7.1.1. Podążanie wzdłuż ściany 7.1.2. Ukierunkowane podążanie wzdłuż ściany 7.1.3. Algorytm Pledgea 7.2. Podążanie wzdłuż oznakowanej linii 7.3. Mrówki poszukujące źródła pożywienia 7.4. Model probabilistyczny zachowania mrówek 7.5. Maszyna stanów skończonych dla algorytmu wyszukiwania ścieżki 7.6. Podsumowanie 7.7. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 8. Lokalizacja 8.1. Punkty charakterystyczne 8.2. Określanie pozycji na podstawie obiektów o znanym położeniu 8.2.1. Określanie położenia za pomocą kąta i odległości 8.2.2. Określanie położenia za pomocą triangulacji 8.3. Globalny system pozycjonowania 8.4. Lokalizacja probabilistyczna 8.4.1. Pomiary czujników zwiększają pewność 8.4.2. Niepewność w pomiarach 8.5. Niepewność ruchu 8.6. Podsumowanie 8.7. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 9. Budowanie map 9.1. Mapy dyskretne i ciągłe 9.2. Zawartość komórek na mapie z siatką współrzędnych 9.3. Tworzenie mapy przez eksplorację: algorytm rubieżowy 9.3.1. Mapa z siatką współrzędnych i prawdopodobieństwami obłożenia 9.3.2. Algorytm rubieżowy 9.3.3. Priorytet w algorytmie rubieżowym 9.4. Budowanie mapy na podstawie znajomości środowiska 9.5. Przykład numeryczny algorytmu SLAM 9.6. Czynności ukazujące działanie algorytmu SLAM 9.7. Formalizacja algorytmu SLAM 9.8. Podsumowanie 9.9. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 10. Nawigacja na podstawie map 10.1. Algorytm Dijkstry dla map z siatką współrzędnych 10.1.1. Algorytm Dijkstry dla map z siatką współrzędnych o stałym koszcie 10.1.2. Algorytm Dijkstry dla map z siatką współrzędnych o zmiennych kosztach 10.2. Algorytm Dijkstry dla map ciągłych 10.3. Planowanie trasy za pomocą algorytmu A* 10.4. Podążanie za ścieżką i unikanie przeszkód 10.5. Podsumowanie 10.6. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 11. Sterowanie za pomocą logiki rozmytej 11.1. Rozmycie 11.2. Stosowanie reguł 11.3. Wyostrzenie 11.4. Podsumowanie 11.5. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 12. Przetwarzanie obrazów 12.1. Otrzymywanie obrazów 12.2. Przegląd typów przetwarzania obrazów cyfrowych 12.3. Usprawnianie obrazów 12.3.1. Filtry przestrzenne 12.3.2. Manipulowanie histogramem 12.4. Wykrywanie krawędzi 12.5. Wykrywanie rogów 12.6. Wykrywanie plam 12.7. Podsumowanie 12.8. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 13. Sieci neuronowe 13.1. Biologiczny układ nerwowy 13.2. Model sztucznej sieci neuronowej 13.3. Implementacja pojazdu Braitenberga za pomocą sieci ANN 13.4. Sztuczne sieci neuronowe: topologie 13.4.1. Topologia wielowarstwowa 13.4.2. Pamięć 13.4.3. Filtr przestrzenny 13.5. Uczenie 13.5.1. Rodzaje algorytmów uczących 13.5.2. Reguła Hebba w uczeniu sieci neuronowych 13.6. Podsumowanie 13.7. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 14. Uczenie maszynowe 14.1. Rozróżnianie dwóch kolorów 14.1.1. Wyróżnik otrzymany na podstawie średnich 14.1.2. Wyróżnik otrzymany na podstawie średnich i wariancji 14.1.3. Algorytm służący do nauki rozpoznawania kolorów 14.2. Liniowa analiza dyskryminacyjna 14.2.1. Motywacja 14.2.2. Wyróżnik liniowy 14.2.3. Wybór punktu dla wyróżnika liniowego 14.2.4. Wybór współczynnika kierunkowego 14.2.5. Obliczanie wyróżnika liniowego: przykład numeryczny 14.2.6. Porównywanie jakości wyróżników 14.2.7. Czynności związane z analizą LDA 14.3. Uogólnienie wyróżnika liniowego 14.4. Perceptrony 14.4.1. Wykrywanie zboczy 14.4.2. Klasyfikacja za pomocą perceptronów 14.4.3. Uczenie perceptronu 14.4.4. Przykład numeryczny 14.4.5. Strojenie parametrów perceptronu 14.5. Podsumowanie 14.6. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 15. Robotyka roju 15.1. Strategie koordynowania współpracy robotów 15.2. Koordynacja na podstawie lokalnej wymiany informacji 15.2.1. Komunikacja bezpośrednia 15.2.2. Komunikacja pośrednia 15.2.3. Algorytm BeeClust 15.2.4. Implementacja algorytmu BeeClust przez projekt ASSISIbf 15.3. Robotyka roju wykorzystująca oddziaływania fizyczne 15.3.1. Współpraca przy fizycznym zadaniu 15.3.2. Łączenie sił wielu robotów 15.3.3. Zbiorowe przesuwanie z użyciem okluzji 15.4. Podsumowanie 15.5. Literatura uzupełniająca Bibliografia Rozdział 16. Kinematyka manipulatora robotycznego 16.1. Kinematyka prosta 16.2. Kinematyka odwrotna 16.3. Rotacje 16.3.1. Rotacja wektora 16.3.2. Rotacja układu współrzędnych 16.3.3. Przekształcenie wektora z jednego układu współrzędnych do innego 16.4. Rotacja i translacja układu współrzędnych 16.5. Przedsmak rotacji trójwymiarowych 16.5.1. Rotacje wokół trzech osi 16.5.2. Reguła prawej dłoni 16.5.3. Macierze trójwymiarowych obrotów 16.5.4. Rotacje wielokrotne 16.5.5. Kąty Eulera 16.5.6. Liczba oddzielnych rotacji kątów Eulera 16.6. Zaawansowane zagadnienia związane z przekształceniami trójwymiarowymi 16.7. Podsumowanie 16.8. Literatura uzupełniająca Bibliografia Dodatek A. Jednostki miary Dodatek B. Podstawy matematyczne