Qualitatives, räumliches Schließen zur Kollisionserkennung und Kollisionsvermeidung autonomer BDI-Agenten

Die Trends und Veränderungen in der Logistik führen zu einem dezentralen Ansatz der Steuerungssysteme, um die Komplexität logistischer Systeme zu reduzieren. Softwareagenten, insbesondere BDI-Agenten (Belief-Desire-Intention), als Gegenstand dieser Arbeit, bieten aufgrund ihrer Eigenschaften geeignete Konzepte diesen Ansatz umzusetzen. Im räumlichen Kontext ist das Wissen der Agenten über ihre Umwelt häufig unsicher. Dieser Beitrag adressiert das Problem der autonomen, kollisionsfreien Bewegung von mehreren, interagierenden Agenten auf Basis von unsicherem Wissen im Kontext der Transportlogistik. Zu diesem Zweck bietet die Perspektive des qualitativ räumlichen Schließens geeignete Konzepte. Der Ansatz wird durch eine Multiagentensimulation in einem transportlogistischen Szenario, im Speziellen mit verschiedenen organisationstheoretischen Konzepten bezüglich des Verhaltens der Agenten ausgewertet

Qualitatives, räumliches Schließen zur Kollisionserkennung und Kollisionsvermeidung autonomer BDI-Agenten

Die Trends und Veränderungen in der Logistik führen zu einem dezentralen Ansatz der Steuerungssysteme, um die Komplexität logistischer Systeme zu reduzieren. Softwareagenten, insbesondere BDI-Agenten (Belief-Desire-Intention), als Gegenstand dieser Arbeit, bieten aufgrund ihrer Eigenschaften geeignete Konzepte diesen Ansatz umzusetzen. Im räumlichen Kontext ist das Wissen der Agenten über ihre Umwelt häufig unsicher. Dieser Beitrag adressiert das Problem der autonomen, kollisionsfreien Bewegung von mehreren, interagierenden Agenten auf Basis von unsicherem Wissen im Kontext der Transportlogistik. Zu diesem Zweck bietet die Perspektive des qualitativ räumlichen Schließens geeignete Konzepte. Der Ansatz wird durch eine Multiagentensimulation in einem transportlogistischen Szenario, im Speziellen mit verschiedenen organisationstheoretischen Konzepten bezüglich des Verhaltens der Agenten ausgewertet. --qualitatives räumliches Schließen,Multiagentensystem,Kollisionserkennung,Kollisionsvermeidung,geographische Informationssysteme,Logistik,Organisationstheorie

KREMLAS: Entwicklung einer kreativen evolutionären Entwurfsmethode für Layoutprobleme in Architektur und Städtebau

Die im vorliegenden Buch dokumentierten Untersuchungen befassen sich mit der Entwicklung von Methoden zur algorithmischen Lösung von Layoutaufgaben im architektonischen Kontext. Layout bezeichnet hier die gestalterisch und funktional sinnvolle Anordnung räumlicher Elemente, z.B. von Parzellen, Gebäuden, Räumen auf bestimmten Maßstabsebenen. Die vorliegenden Untersuchungen sind im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsprojekts entstanden

Kollisionserkennung für echtzeitfähige Starrkörpersimulationen in der Industrie- und Servicerobotik

Die mechanisch plausible Simulation von Robotern und deren Arbeitsumgebungen ist in der Industrie- und Service-Robotik ein zunehmend wichtiges Werkzeug bei der Entwicklung und Erprobung neuer Hardware und Algorithmen. Ebenso sind Simulationsanwendungen oftmals eine kostengünstige und vielseitig einsetzbare Alternative, sofern die Beschaffung echter Roboter unrentabel ist, oder Hardware und Arbeitsumgebung nur mit großer zeitlicher Verzögerung zur Verfügung stehen würden. Besonders wichtig sind Mechanik-Simulationen für Anwendungsfälle, in denen die direkte mechanische Interaktion von Objekten miteinander beziehungsweise der Arbeitsumgebung selbst im Vordergrund stehen, wie etwa in der Greifplanung oder der Ermittlung kollisionsfreier Bewegungsabläufe. Bei welcher Art von Szenarien der Einsatz von Mechanik-Simulationen sinnvoll ist und inwieweit die Möglichkeiten solcher Simulations-Werkzeuge ein geeigneter Ersatz für eine reale Arbeitsumgebung sein können, hängt sowohl von den technischen Besonderheiten dieser Werkzeuge, als auch von den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebiets ab. Die wichtigsten Kriterien sind dabei: Die zur Umsetzung der jeweiligen Aufgabe nötige oder gewünschte geometrische Präzision bei der Modellierung von Objekten in einer Simulation, ie bei der Simulation mechanischem Verhaltens berücksichtigten Eigenschaften und Phänomene (etwa durch die Berücksichtigung von Verformungsarbeit oder tribologischer Eigenschaften), und die Fähigkeit, eine Simulation in oder nahe Echtzeit betreiben zu können (d. h. innerhalb von Laufzeitgrenzen, wie sie auch durch die reale Entsprechung eines simulierten Systems gegeben sind). Die Fähigkeit zum Echtzeit-Betrieb steht dabei in Konflikt mit der geometrischen und mechanischen Präzision einer Simulation. Jedoch ist es gerade die Kombination aus diesen drei Kriterien, die für Szenarien mit einem hohen Anteil mechanischer Interaktion zwischen aktiv durch einen Benutzer gesteuerten Aktorik und einer simulierten Arbeitsumgebung besonders wichtig sind: Im Speziellen gilt das für Simulationssysteme, die zur Steuerung simulierter Roboter-Hardware dieselben Hardware- oder Software-Steuerungen verwenden, die auch für die realen Entsprechungen der betrachteten Systeme verwendet werden. Um einen Betrieb innerhalb sehr kurzer Iterationszeiten gewährleisten zu können, muss eine Mechanik-Simulation zwei Teilaufgaben effizient bewältigen können: Die Überprüfung auf Berührung und Überschneidung zwischen simulierten Objekten in der Kollisionserkennung in komplex strukturierten dreidimensionalen Szenen, und die Gewährleistung einer numerisch stabilen Lösung des zugrundeliegenden Gleichungssystems aus der klassischen Mechanik in der Kollisionsbehandlung. Die Kollisionserkennung erfordert dabei gegenüber der Kollisionsbehandlung ein Vielfaches an Laufzeit-Aufwand, und ist dementsprechend die Komponente einer jeden echtzeitfähigen Mechanik-Simulation mit dem größten Optimierungspotential und -bedarf: Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Kombination existierender Ansätze zur Kollisionserkennung unter weitgehender Vermeidung von deren Nachteilen. Dazu sollen ausgehend von Erfahrungen einer Projektstudie aus der Industrie-Robotik die speziellen Anforderungen an echtzeitfähige Mechanik-Simulationen beim Einsatz in dieser und verwandten Disziplinen hergeleitet und den Möglichkeiten und Einschränkungen existierender Simulations-Lösungen gegenüber gestellt werden. Basierend auf der Analyse existierender Kollisionserkennnungs-Verfahren soll im weiteren Verlauf der Arbeit eine alternative Möglichkeit zur Bewältigung dieser laufzeitaufwendigen Aufgabe auf Basis der Verwendung massiv paralleler Prozessor-Architekturen, wie sie in Form programmierbarer Grafik-Prozessoren (GPUs) kostengünstig zur Verfügung stehen, erarbeitet und umgesetzt werden

Virtuelle Realitäten für die chirurgische Ausbildung: Strukturen, Algorithmen und ihre Anwendung

Die vorliegende Arbeit beschreibt Strukturen und Algorithmen zum Bau virtueller Realitäten für die chirurgische Ausbildung. Anwendungsbeispiel ist die Software des Augenoperationssimulators EyeSi; alle Verfahren wurden aber in größerer Allgemeinheit für die Softwarebibliothek VRM (Virtuelle Realität in der Medizin) implementiert. (1) Datenrepräsentation: Zu Repräsentation der Daten einer virtuellen Welt wird ein gerichteter Multigraph mit attributierten Knoten und gefärbten Kanten vorgeschlagen. Die strukturelle Information wird in knotenzentrierten Adjazenzlisten gespeichert. Um schnellen sequentiellen Zugriff zu ermöglichen, können einzelne Attribute in zusammenhängenden Speicherbereichen abgelegt werden. Mit Hilfe einer dünnen Zugriffsschicht werden Sichten auf Subgraphen definiert, innerhalb derer Typsicherheit und Zugriffsschutz gewährleistet sind. Ausdrucksmächtigkeit und Zugriffsgeschwindigkeit des Datenformats ermöglichen es, alle Informationen über die virtuelle Welt auf einheitliche Weise zu repräsentieren -- die inneren Strukturen der Objekte genauso wie szenegraphähnliche Beziehungen der Objekte untereinander. (2) Softwarearchitektur: Die Software für einen VR-Simulator wird in die Komponenten I/O (VR-Interfaces), Simulation (Berechnung der physikalischen Vorgänge) und Systemsteuerung (GUI, Benutzerverwaltung, Multimedia-Ausgabe) aufgeteilt. Die Komponenten werden auf logische und softwaretechnische Weise getrennt, so dass die Softwareentwicklung in unabhängigen Teilprojekten erfolgen kann. Die Datenströme zwischen den Komponenten können umgeleitet werden. Dies ermöglicht es beispielsweise, Trainingssitzungen aufzuzeichnen und wiederzugeben, mehrere Simulatoren miteinander zu koppeln oder den grafischen Renderer auszutauschen. Anhand bestehender psychologischer Untersuchungen wird eine VR-Echtzeitbedingung definiert. Auf der Basis von Laufzeitmessungen wird diskutiert, unter welchen Bedingungen die VR-Echtzeitbedingung auch auf Standard-PCs erfüllt werden kann. Es wird vorgeschlagen, zeitintensive Vorgänge auf unabhängige, aber synchron arbeitende Subsysteme auszulagern. EyeSi setzt diesen Vorschlag bei der Kollisionserkennung mit Grafikoperationen sowie bei der FPGA-basierten Bildverarbeitung des Trackingsystems um. (3) Gewebeinteraktion: Der erste Schritt bei der Berechnung einer Gewebeinteraktion ist die Erkennung der Kollision zwischen einem Instrument und einem Gewebestück. Standard-Verfahren sind häufig ungeeignet, da sie die möglichen Objektformen zu sehr einschränken oder eine zeitaufwändige Vorberechnung benötigen. Es wurde daher ein bildbasiertes Verfahren entwickelt, das auf einem Vorschlag von Myszkowski et al. (1995) basiert. Es wird gezeigt, dass unter bestimmten Bedingungen ein lokales Konvexitätskriterium gilt, mit dessen Hilfe ein Rendering-Schritt eingespart werden kann. Durch Berücksichtigung der vorgegebenen Interaktions- und Deformationsrichtungen entfällt ein weiterer Rendering-Schritt. Für die Berechnung von Deformationsvektoren werden die z-Buffer-Einträge genutzt, kollidierende Polygone werden über eine eindeutige Färbung im Color-Buffer identifiziert. Es wird gezeigt, dass mit diesem Ansatz Kollisionserkennung und -antwort in EyeSi schnell genug berechnet werden können. Es wird diskutiert, wie bei der Kollisionsantwort Oszillationen und daraus resultierende numerische Instabilitäten vermieden werden können. Für die Gewebedeformation stellt die VRM-Bibliothek FEM-Verfahren, ChainMail- und Feder-Masse-Modelle zur Verfügung. Es werden verschiedene Integrationsmethoden für Feder-Masse-Modelle diskutiert. Um bei expliziter Integration den Stabilitätsbereich zu vergrößern, wird die Dehnungskorrektor von Provot (1995) mit einer Feder-Sortierung verbunden. Zur lokalen Gitterverfeinerung wird ein einfaches Verfahren vorgestellt. (4) EyeSi: EyeSi ist eine virtuelle Realität zum Training von Augenoperationen. Es werden alle wesentlichen Aspekte einer realen Operation nachgebildet: ein stereoskopisches Display ersetzt das Stereomikroskop. Originalgetreue Instrumente werden in einem Metallauge bewegt; die Positionen der Objekte werden mit einem optischen Trackingsystem gemessen. Ein PC übernimmt die Verwaltungsaufgaben des Systems: Benutzerverwaltung, GUI-Steuerung über einen Touchscreen, Kontrolle, Auswertung und Aufzeichnung von Trainingsläufen, realistische 3D-Visualisierung über einen eigenen Renderer sowie generische Routinen für die Instrument-Gewebe-Interaktion. Innerhalb dieses Rahmens sind verschiedene Trainingsmodule implementiert, die dem angehenenden Chirurgen nicht nur grundlegende manuelle Fähigkeiten vermitteln, sondern die Durchführung vollständiger Operationen gestatten. Durch die realistische Gewebesimulation und das aufwändige VR-Interface ist eine überzeugende virtuelle Realität entstanden, die bereits in der ophthalmochirurgischen Ausbildung im Einsatz ist

Parallele Bewegungsplanung in dynamischen Umgebungen

Dieser interne Bericht gibt einen Ueberblick ueber die aktuellen Forschungsergebnisse aus dem gleichnamigen Projekt. Hierbei wird das Problem der praktikablen Bewegungsplanung fuer Industrieroboter in dynamischen Umgebungen angegangen. Der Grundalgorithmus ohne wesentliche off-line Berechnungen basiert auf der A*-Suche und arbeitet im impliziten, diskretisierten Konfigurationsraum. Die Kollisionen werden im kartesischen Arbeitsraum durch hierarchische Abstandsberechnung im gegebenen CAD-Modell erkannt. Eine zyklische Aufteilung des Suchraums auf die einzelnen Prozessoren ermoeglicht eine gut skalierbare Parallelverarbeitung fuer nachrichten-gekoppelte Rechnersysteme. Die Leistungsfaehigkeit des Bewegungsplaners wird an einem Satz von Benchmark-Problemen validiert. Unterstuetzt durch eine optimale Diskretisierung zeigt der neuartige Ansatz einen linearen Speedup. Fuer Umgebungen mit unbewegten Hindernissen liegen die Laufzeiten im Sekundenbereich. Zur weiteren Beschleunigung der Bewegungsplanung wird erstmalig eine heuristische hierarchische Suche im impliziten Konfigurationsraum eingefuehrt. Fuer zweidimensionale Benchmark-Probleme ergibt die Hierarchisierung eine starke Reduktion des Suchaufwandes

Impulsbasierte Dynamiksimulation von Mehrkörpersystemen in der virtuellen Realität

Die dynamische Simulation gewinnt im Bereich der virtuellen Realität immer mehr an Bedeutung. Sie ist ein wichtiges Hilfsmittel, um den Grad der Immersion des Benutzers in eine virtuelle Welt zu erhöhen. In diesem Anwendungsbereich ist die Geschwindigkeit des verwendeten Simulationsverfahrens entscheidend. Weitere Anforderungen an das Verfahren sind unter anderem Genauigkeit, Stabilität und eine einfache Implementierung. In dieser Arbeit wird ein neues impulsbasiertes Verfahren für die dynamische Simulation von Mehrkörpersystemen vorgestellt. Dieses erfüllt, im Gegensatz zu klassischen Verfahren, alle Anforderungen der virtuellen Realität. Das vorgestellte Verfahren arbeitet ausschließlich mit Impulsen, um mechanische Gelenke, Kollisionen und bleibende Kontakte mit Reibung zu simulieren

Interaktive Montageplanung mit Kollisionserkennung

Effiziente Methoden zur Kollisionserkennung sind nicht nur bei der Montage— und Robotersimulation von Bedeutung, sondern ganz allgemein bei der Simulation mechanischer Vorgänge. Sie bilden die Voraussetzung für die Simulation der Dynamik eines Mechanismus. Diese Arbeit zeigt neue Wege zu einer effizienten Kollisionskontrolle und zu ihrer Anwendung im Zusammenhang mit der Montageplanung.Liegt nicht vor