Ein Beitrag zur Entwicklung von Strategien zur koordinierten Steuerung autonomer mobiler Multirobotersysteme

Ein Beitrag zur Entwicklung von Strategien zur koordinierten Steuerung autonomer mobiler Multirobotersysteme Abstract The coordinated motion control of multirobot systems is a multilayered and complex type of problem, for which a lot of different solutions are described in scientific publications. Collision avoidance problems as well as resolution of deadlock situations at intersections are very often described. In the paper, presented here, a dedicated strategy is suggested, which allowes to control a group of robots in a way that enables them to keep a formation as long as possible but also to avoid possible collisions with obstacles. This strategy includes the modelling, the mission as well as the behavior planning. Basically a hybrid control architecture is used, which is composed of a global map based path planning and a local behavior based reactive execution. The planning occures offline prior to the execution and results in an optimal path for a given formation (mission planning). In a following step the path is then extended to suggest suitable steering behaviors to each robot (behavior planning). The activation of that steering bahaviors occures local according to preset synchronisation points along the path. A hierarchical structure is applied to the robot group to propagate synchronization informations. Based on a suitable modell for such a multi robot system a concrete implementation of the strategy in all steps is presented. Beginning with an image analysing process to create a grid map for unstructured environment an adaptive route planning algorithm for the hole formation based on that grid is introduced. The so planned route is then analysed to determine the most suitable behavior for each robot according to its specific obstacle situation. From the limitations of this concrete implementation a alternative variant is derived, which integrates the mission- and the behavior planning. Finally an experimental platform is described which was developed during the time of this work and that appears to be suitable for experiments with small multirobot systems. The hardware is documented while the control software is described in detail. A simulation environment is also part of this experimental platform. Due to its higher abstraction it allowes easier variation of test cases. In this context a solution for image based position detection of small robots is presented. In opposition to common color based algorithms the presented solution is based on edge detection. Colors are only used for robot identification as well as obstacle recognition. At the end an application of image processing as part of the local sensoric is briefly discussed.Die koordinierte Bewegungssteuerung von Multirobotersystemen ist eine vielschichtige und komplexe Aufgabe, für die in der Literatur unterschiedliche Lösungsansätze beschrieben sind. Oft steht dabei die Kollisionsvermeidung oder Auflösung von Konfliktsituationen an Kreuzungspunkten im Vordergrund. In der vorliegenden Arbeit wird insbesondere eine Strategie vorgestellt, mit der es möglich ist, eine Gruppe von Robotern so zu steuern, dass diese sowohl eine Formation weitestgehend beibehalten als auch mögliche Kollisionen mit Hindernissen vermeiden. Die Strategie umfasst im Wesentlichen die Modellbildung sowie die Missions- und die Verhaltensplanung. Grundlage bildet dabei eine hybride Steuerungsarchitektur, die sich aus einer globalen kartenbasierten Planung und einer lokalen reaktiven Ausführung zusammensetzt. Die Planung erfolgt offline und liefert im Ergebnis eine optimale Route für eine vorgegebene Formation (Missionsplanung). Die Route wird dahingehend erweitert, dass einzelnen Robotern günstige Steuerverhalten vorgeschlagen werden (Verhaltensplanung). Die Aktivierung dieser Steuerverhalten erfolgt dann lokal an zuvor festgelegten Synchronisationspunkten entlang der geplanten Route unter Ausnutzung einer hierarchischen Struktur innerhalb der Gruppe. Ausgehend von einer geeigneten Modellierung eines solchen Multirobotersystems wird eine konkrete Implementierung dieser Planungsstrategie in allen Schritten vorgestellt. Beginnend mit einer Bildanalyse zur Erstellung einer Karte wird darauf aufbauend ein adaptives Routenplanungsverfahren für die gesamte Formation vorgestellt. Die geplante Route wird im Nachgang analysiert, um der jeweiligen Hindernissituation entsprechend günstige Verhalten für die einzelnen Roboter zu bestimmen. Anhand der Grenzen dieser konkreten Implementierung wird eine alternative Variante abgeleitet, die die Missions- und die Verhaltenplanung integriert. Schließlich wird eine Experimentalplattform mit Kleinstrobotern beschrieben, die im Verlauf der Arbeit entstanden ist und für Versuche mit Multirobotersystemen geeignet erscheint. Es wird die hardwarseitige Umsetzung dokumentiert und vor allem die dazu geschaffene Steuersoftware erläutert, zu der auch eine Simulationsumgebung gehört. In diesem Zusammenhang wird detailliert auf eine Lösung der globalen kameragestützten Positionsbestimmung für kleine Roboter eingegangen. Dabei wird ein Verfahren vorgeschlagen, das im Gegensatz zur üblichen Farberkennung auf der Basis von Binärbildern arbeitet und Farbinformationen lediglich zur Unterscheidung der Roboter sowie zur Erkennung der Hindernisse nutzt. Die Anwendung von Kamerabildern als Ergänzung der lokalen Sensorik eines Roboters wird schließlich kurz angeschnitten

Eine Referenzarchitektur für die assistierte und automatisierte Fahrzeugführung mit Fahrereinbindung

Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung einer funktionalen Systemarchitektur, die den Anforderungen des assistierten, teilautomatisierten bis hin zum vollautomatisierten Fahrens gerecht werden soll. Dabei steht insbesondere die Architektur als wissenschaftliche Disziplin im Vordergrund, in der Entscheidungsalternativen erarbeitet und durch Abwägung der sich daraus ergebenden Konsequenzen bewertet und dokumentiert werden. Im ersten Schritt erfolgt eine Anforderungsanalyse, in der die funktionalen Systemanforderungen in Form notwendiger Fahrmanöver hergeleitet sowie relevante nichtfunktionale Anforderungen (insbes. Test- und Erweiterbarkeit) an die Architektur identifiziert werden. Darauf aufbauend erfolgt die Entwicklung der Referenzarchitektur auf Basis hybrider Robotik-Basisarchitekturen, beginnend mit einer Festlegung des 3-Ebenen Fahrzeugführungsmodelles nach Donges als zugrunde liegendes hierarchisches Abstraktionsmodell. Von besonderer Bedeutung dabei ist das Zusammenspiel zwischen deliberativen Systemelementen zur Zielerreichung einerseits und reaktiven Systemelementen zur schnellen Reaktion auf sich ändernde Situationsparameter andererseits. Als Ergebnis liegt ein hierarchisches Mehrebenensystem mit vier Systemebenen vor. Neben der Festlegung der Kontrollhierarchie wird zusätzlich der Informationsbedarf der Planungsmodule in Richtung des Umfeldmodells skizziert sowie die notwendigen Mensch-Maschine-Schnittstellen zur Fahrereinbindung

Komponentenbasierte Überwachung hybrider Systeme durch den Einsatz formaler Methoden

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuen Verfahrens zum nahtlosen Komponentenentwurf und zur Systemüberwachung durch ein einheitliches Modell, das die Anforderungen der Entwicklung von komplexen dynamischen Systemen erfüllt und somit einen Beitrag zum Entwurf verlässlicher Systeme leistet. Hierfür wird die komponentenbasierte Design-Methodologie KobrA eingesetzt, weil diese eine schrittweise Komponentenzerlegung auf verschiedenen Abstraktionsebenen und Sichten durchführt. Sie beinhaltet sowohl „Top-down“-Elemente als auch „Bottom-up“-Ansätze, die für eine effiziente prototypische Systemrealisierung geeignet sind. Mit der Entwicklung eines formalen echtzeitfähigen Überwachungs- und Fehlererkennungsmechanismus wird die KobrA-Methode durch eine formale Modellierungssprache erweitert, welche sowohl für die Softwareentwickler als auch für die Ingenieure verständlich sein soll. Aus diesem Grund sollte diese Sprache eine eindeutige und streng definierte Semantik besitzen. Die einheitliche Beschreibung der Systemkomponenten sowie der Überwachungskomponenten durch denselben formalen Sprachmittel ermöglicht die systematische Einbettung der Überwachung über den gesamten Entwicklungsprozess und dessen Ausführung während des Betriebs. Petri-Netze gehören zur Graphentheorie und zählen seit mehreren Jahren zu den mächtigsten Spezifikationswerkzeugen in verschiedenen Gebieten. Sie erlauben die Beschreibung des Komponentenverhaltens durch ein Netzwerk, bestehend aus Knoten und aus Bedingungen für den Datenfluss zwischen diesen Knoten. Wesentliche Vorteile von Petri-Netzen sind zum einen ihre formale mathematische Formulierung, die auf einem soliden theoretischen Fundament beruht, sowie zum anderen die explizite Abbildung des Prozesszustandes über ein Markierungskonzept. Petri-Netze ermöglichen zusätzlich die Darstellung sequentieller, sich gegenseitig ausschließender sowie paralleler Aktivitäten, die Modellierung und Visualisierung von Systemverhalten sowie die Nebenläufigkeit und die Synchronisation von kooperativen Prozessen. In dieser Arbeit erfolgt die Verhaltensbeschreibung der Überwachungskomponenten durch eine neue Klasse von Petri-Netzen, so genannte „Modifizierte Partikel Petri-Netze“ (engl., Modified Particle Petri Nets „MPPN“). Diese Netzklasse beinhaltet hybride Petri-Netze für die Modellierung des hybriden Systemverhaltens und einen Partikelfilter als probabilistische Erweiterung, um die Überwachung als Tracking-Problem aufzufassen. Petri-Netze bieten eine vollständige und konsistente Beschreibung der Prozesse, die graphische Anschauung sowie Simulation und Animation als Testmöglichkeit bereits während der Entwurfsphase. Die Kombination aus KobrA-Beschreibungsformalismus und Petri-Netzen erlaubt eine anschauliche, modular und hierarchisch strukturierte Modellierung, direkt in einer formalen Sprache. Durch unterstützende Werkzeuge, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt sind, kann die Realisierung der Überwachungskomponente direkt aus der Spezifikation generiert werden. Hierfür wird das Petri-Netzmodell in ein textuelles kompaktes XML-Austauschformat (engl., „Extensible Markup Language“) transformiert, welche sich an dem PNML-Standard (engl., „Petri Net Markup Language“) orientiert. Diese generische Vorlage enthält das Komponentenverhalten und die für den Überwachungsprozess notwendigen Parameter. Der besondere Aspekt für den Einsatz derselben formalen Methode, nämlich die Petri-Netze, sowohl für die Spezifikation als auch für die Realisierung, beruht auf zwei Zielen. Das primäre Ziel ist, ein einheitliches verständliches Ausdrucksmittel für die Entwurfsphase eines Systems zu stellen, mit dem alle Aspekte des ausgewählten Abstraktionsniveaus unmissverständlich dargestellt werden können. Denn Spezifikationsdokumente in natürlichen Sprachen sind anfällig für Missverständnisse, während formale Spezifikationen auf mathematischen Beschreibungen und eindeutiger Semantik und Syntaxen basieren. Das sekundäre Ziel ist eine formale überprüfbare Spezifikation (mittels eines Simulationswerkzeuges) als solide Basis für die Realisierungsphase zu bilden. Denn eine automatisch verifikationsbasierte Systementwicklung stellt eine Möglichkeit zur Erhöhung der Systemverlässlichkeit dar. Die andere Möglichkeit basiert auf der Robustheit des Überwachungsverfahrens während der Betriebsphase

Ein Beitrag zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter

This work presents the main outcomes of the design of LUKAS, a robot in the RoboCup Small Size League, and of the development of a structure for the coordinating software, XBase. The fact that both compactness and the necessary mass-power ratio of the robot were achieved is mainly due to the configuration: three wheels and an orthogonal axle. The polyamide chassis, the backspin engine integrated into the dribbler, and the energy-efficient goal shooting mechanism, all make use of special ideas for material and structure. It has omni-directional Stanford wheels which guarantee smooth running, traction and stability on a steady basis. The design is basically sandwich construction. This is a means of using the integration of technical functions and a minimal number of components to ensure high reliability, flexibility and robustness. It was possible to develop control architecture for the robot on the basis of kinematic and dynamic mathematical analysis so that omni-directional manoeuvring and precise positioning are permitted because wheel slippage and changes in the centre of gravity are registered. The master software, XBase, has been developed to combine a user-friendly man-machine interface with a toolbox, to enable all the robots’ systems to be coordinated and moving objects in the field to be detected by customised image processing. A look-up table with maximum-likelihood colour classification is one of the means by which stable picture rates and economical computation are achieved. Others are picture segmentation with line coincidence procedure and resource-protective operations. For a group of robots, suitable training exercises have been devised using different formations so that they can be controlled in a coordinated way. This model for the formation permits transition, by individual release of parameters, from a rigid to a flexible network. The flexibility and adaptability of the robot group is demonstrated using three types of formation, bloc, line and rout. The XBase system devised will run either as a multi-robot system managed by a single behaviour control system, or as a multi-agent combination managed by several parallel behaviour controls.In dieser Arbeit werden die wesentlichen Ergebnisse zur Konstruktion des RoboCup-Small-Size-Roboters LUKAS und des Aufbaus der koordinierenden Mastersoftware XBase vorgestellt. Die erreichte Kompaktheit und das notwendige Masse-Leistungs-Verhältnis des Roboters beruhen im Wesentlichen auf der orthogonalen Achskonfiguration. Spezielle Material- und Strukturlösungen für Leichtbau und Bauraumnutzung finden sich im Polyamid-Chassis, im motorintegrierenden Dribbler und im energieeffizienten Schussmechanismus. Im Einsatz sind omnidirektionale Räder mit solider Rundlauf-, Traktions- und Stabilitätseigenschaft. Der dreirädrige Roboter setzt ein hierarchisches Konstruktionskonzept um, welches hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität und Robustheit in verstärktem Maße durch technische Funktionsintegration einer minimalen Anzahl von Bauteilen realisiert. Nach Analyse der kinematischen und dynamischen Zusammenhänge konnte für den Roboter eine Reglerarchitektur entwickelt werden, die unter Berücksichtigung von Radschlupf und Schwerpunktverlagerung die omnidirektionale Manövrierbarkeit und Bewegungspräzision gestattet. Die weiterentwickelte Mastersoftware XBase verbindet eine modifizierten Bildverarbeitung zur Detektierung der Roboter und eine anwenderfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle mit dem Instrument zur Roboterkoordinierung. Stabile Bildraten und geringer Berechnungsaufwand werden durch die Verwendung einer Look-Up-Tabelle zur Maximum-Likelihood-Farbklassifizierung, Bildsegmentierung mit Zeilenkoinzidenzverfahren und ressourcenschonende Operationen garantiert. Ein geeigneter Trainingseinstieg wurde mit verschiedenen Formationsvarianten zur koordinierten Kontrolle einer Robotergruppe gefunden. Das Modell gestattet durch individuelle Freigabe von Freiheitsgraden einen Übergang vom starren zum flexiblen Verband. Anhand der Beispielformationen Block, Reihe und Rotte ist die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit dargestellt. Das System XBase kann sowohl als Multi-Roboter-System unter der Kontrolle einer Verhaltenssteuerung, wie auch als verteiltes Multi-Agenten-System mit mehreren parallelen Verhaltenssystemen fungieren

Modulare, verteilte Hardware-Software-Architektur für humanoide Roboter

Humanoide Roboter sind hochkomplexe Systeme. Sie zeichnen sich durch ein sehr heterogenes Sensor- und Aktorsystem aus, welches wiederum sehr hohe und breit gefächerte Anforderungen an die verwendete Architektur stellt. Es wird sowohl der Entwurf einer funktionalen Steuerungsarchitektur, das verwendete Softwarerahmenwerk als auch die Abbildung auf eine dezidierte Hardwarearchitektur beschrieben

Modulare, verteilte Hardware-Software-Architektur für humanoide Roboter

Humanoide Roboter sind hochkomplexe Systeme. Sie zeichnen sich durch ein sehr heterogenes Sensor- und Aktorsystem aus, welches wiederum sehr hohe und breit gefächerte Anforderungen an die verwendete Architektur stellt. Es wird sowohl der Entwurf einer funktionalen Steuerungsarchitektur, das verwendete Softwarerahmenwerk als auch die Abbildung auf eine dezidierte Hardwarearchitektur beschrieben

Interaktive Verhaltenssteuerung für Robot Companions

Kleinehagenbrock M. Interaktive Verhaltenssteuerung für Robot Companions. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2004.Das Bestreben in der Robotikforschung, Roboter zu entwickeln, die dem Menschen gewisse Dienste erweisen, ist nach wie vor ungebrochen. Dabei konzentriert sich die aktuelle Entwicklung zunehmend auf den Privatgebrauch: Es ist das Ziel, persönliche Roboter zu entwickeln, die in Zukunft mit Menschen, einem Kameraden ähnlich, das Zuhause teilen können. Damit Menschen geneigt sind, sich einen solchen Robot Companion zuzulegen, muss er nützlich und einfach zugänglich sein. Somit sind einerseits Fähigkeiten, wie z.B. "Tisch abräumen" und "Blumen gießen", zu realisieren. Andererseits sind die wenigsten Menschen Experten für Robotik. Daher sollte der Roboter intuitiv bedienbar sein, so dass ein natürlicher Umgang zwischen Mensch und Robot Companion entsteht. Folglich muss der Roboter Dialoge in natürlicher Sprache führen können und Zeigegesten erkennen. Da solche Interaktionen in Privatwohnungen stattfinden, kann der Roboter weder die Umgebung noch alle dort denkbaren Gegenstände im Voraus kennen. Somit muss er dieses Wissen erlernen, um es in weiteren Interaktionen nutzen zu können. Um diese Herausforderungen zu lösen, war es ein Ziel dieser Arbeit, eine Software-Architektur für Robot Companions zu entwickeln. Das Konzept der Architektur sollte möglichst flexibel und erweiterbar sein, um diverse Interaktionsfähigkeiten integrieren zu können. Als weiteres Ziel sollte die Basis zur Interaktion mit Menschen geschaffen werden. Dazu wurde ein neuartiges multimodales Personen-Tracking entwickelt, das mit weiteren Interaktionsmodulen in der realisierten Architektur zu integrieren war. Das entwickelte Personen-Tracking ist multimodal, da es Daten von drei verschiedenen Sensorsystemen verarbeitet, um vor dem Roboter anwesende Personen robust zu verfolgen. Zur Sensordatenfusion wurde das "Multimodale Anchoring" entwickelt. Dieser neuartige Ansatz erlaubt es, gleichzeitig mehrere Personen anhand ihrer Gesichter, Oberkörper, Stimmen und Beine zu verfolgen, und sie auch voneinander zu unterscheiden. Somit kann eine Person bevorzugt betrachtet werden, indem die Sensoren auf sie gerichtet werden. Durch zugehörige Experimente wird die Leistungsfähigkeit des multimodalen Verfahrens belegt. Neben dem Personen-Tracking werden jeweils eine Aufmerksamkeitssteuerung für Personen und Objekte und eine Dialogsteuerung vorgestellt. Diese Module sind im Rahmen anderer Promotionsvorhaben entwickelt worden und es galt, sie ebenfalls im Gesamtsystem zu integrieren. Die Aufmerksamkeitssteuerung für Personen setzt auf dem Personen-Tracking auf und bestimmt den Interaktionspartner des Roboters. Zur sprachlichen Kommunikation mit dem Benutzer ist die Dialogsteuerung verantwortlich. Für das Erfassen von zu lernenden Gegenständen dient die Aufmerksamkeitssteuerung für Objekte, die sprachliche und gestische Informationen kombiniert. Zur Entwicklung der Software-Architektur wurden Architekturen bestehender Robotersysteme untersucht und funktionale und strukturelle Anforderungen an einen Robot Companion formuliert. Das daraus entwickelte Architekturkonzept ist eine besonders flexible Drei-Ebenen-Architektur, die zur Koordination des Systems einen zentralen "Execution Supervisor" (ESV) besitzt und per XML kommuniziert. Der ESV empfängt von angebundenen Modulen Nachrichten, die Aktionen auslösen, wie z.B. das Weiterleiten von Daten an andere Module und das Rekonfigurieren des Systems. Dieses Konzept wurde schließlich für den Roboter BIRON umgesetzt. Dabei wurde der ESV so implementiert, dass er äußerst generisch ist: Um ihn zu modifizieren, muss nur eine Konfigurationsdatei angepasst werden, die ebenfalls in XML spezifiziert ist. Die Kommunikation basiert dabei auf dem "XML enabled Communication Framework" und ist somit äußerst transparent. Außerdem wurden Benutzerexperimente mit BIRON durchgeführt, wobei dessen Interaktionsfähigkeiten als recht natürlich eingestuft wurden. Da für eine flüssige Interaktion das System nicht zu langsam reagieren darf, wurden auch gewisse Zeitmessungen vorgenommen. Diese zeigen, dass der Zeitaufwand, der durch die Architektur verursacht wird, im Vergleich zu den Berechnungen der integrierten Module gering ist und somit eine flüssige Interaktion erlaubt. Das System wurde außerdem auf der IST 2004 in Den Haag präsentiert, wo zwei BIRONs an drei Tagen insgesamt 24 Stunden lang erfolgreich präsentiert wurden. Folglich bietet das präsentierte Architekturkonzept eine hervorragende Basis zur Entwicklung von Robot Companions. Durch die Integration der vorgestellten Modulen ergibt sich bereits ein grundlegendes System zur natürlichen Mensch-Roboter-Interaktion. Da es auf Erweiterbarkeit ausgelegt ist, können andere Funktionalitäten einfach hinzugefügt werden. Diese Generizität wird insbesondere durch XML ermöglicht. XML wird zur Konfiguration des ESV und zur Kommunikation mit den angebundenen Modulen verwendet. Nur so kann das bereits umfangreiche System auch in Zukunft noch umfangreich erweitert werden