Ein Beitrag zur Steuerung von mobilen Systemen auf Grundlage der Bioorientierten Adaptiven Autonomie

Zusammenfassung: Die Forschung im Bereich mobiler Systeme hat in den letzten Jahren ständig an Bedeutung gewonnen. Als Ziel steht häufig das Erlangen von Autonomie im Vordergrund. Unterschiedliche Vorstellungen von „Autonomie“ erschweren dabei eine notwendige interdisziplinäre Zusammenarbeit von Spezialisten unterschiedlicher Fachrichtungen. Die vorliegende Dissertation schlägt mit der Bioorientierten Adaptiven Autonomie ein neuartiges Autonomie-Konzept vor. Indem Autonomie als variabler Zustand in einem Spektrum zwischen vollautonom und teleoperiert betrachtet wird, lassen sich alle vorhandenen Vorstellungen von Autonomie einordnen. Auch beschreibt das Konzept die Möglichkeit, den Autonomiegrad von Systemen durch einen Softwareadapter ständig den aktuellen Gegebenheiten anzupassen. Damit kann ein autonomes System auf Daten oder Rechenkapazitäten von außerhalb zugreifen. Auch kann ein Mensch in die Missionsausführung autonomer Systeme eingebunden werden, da die juristische Verantwortung immer bei einem Menschen liegen muss. Es wird herausgearbeitet, dass nicht das Erlangen eines möglichst hohen Autonomiegrades das Ziel sein sollte, sondern eines optimal angepassten. Besonders effizient ist das neuartige Autonomiekonzept bei der Realisierung von Teams aus unbemannten Systemen. Hier stehen die Zielstellungen ‚Autonomie’ und ‚Kooperation’ im klaren Widerspruch zueinander. Durch das Senken der einzelnen Autonomiegrade kann auf verschiedene Weisen Teamverhalten erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden unterschiedliche Umsetzungen von Teams aus mobilen Systemen beschrieben. Es werden verschiedene wissenschaftliche Methoden angewandt und verglichen. Als neuartig wird ein hybrider Ansatz mit analytischen, regel- und zustandsbasierten Umsetzungen angegeben und mit stochastikorientierten Verfahren sowie einem aus der Literatur entnommenen analytischen Ansatz verglichen. Ein wertender Vergleich der unterschiedlichen Realisierungsmöglichkeiten wird besonders im Hinblick auf praxistaugliche Anwendungen vorgenommen. Die vorgestellten Aussagen werden durch verschiedene Simulationen veranschaulicht, welche auch zur Verdeutlichung des Vergleichs der unterschiedlichen Teamstrategien herangezogen werden. Als Ausblick wird auf verschiedene Anwendungsmöglichkeiten hingewiesen, bei welchen gegenwärtig unter Mitarbeit des Autors das beschriebene Autonomiekonzept in die Praxis übertragen wird

Ein Beispiel zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter: Konstruktives Design und Steuerungsentwurf

In dieser Arbeit werden die wesentlichen Ergebnisse zur Konstruktion des RoboCup-Small-Size-Roboters LUKAS und des Aufbaus der koordinierenden Mastersoftware XBase vorgestellt. Der dreirädrige Roboter setzt ein hierarchisches Konstruktionskonzept um, welches hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität und Robustheit durch technische Funktionsintegration einer minimalen Anzahl von Bauteilen realisiert. Spezielle Material- und Strukturlösungen finden sich im Polyamid-Chassis, im motorintegrierenden Dribbler und im energieeffizienten Schussmechanismus. 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 Mastersoftware XBase kann sowohl als Multi-Roboter-System unter der Kontrolle einer Verhaltenssteuerung, wie auch als verteiltes Multi-Agenten-System mit mehreren parallelen Verhaltenssystemen fungieren. Stabile Bildraten der Bildverarbeitung und geringer Berechnungsaufwand werden durch ressourcenschonende Operationen garantiert. Ein geeigneter Trainingseinstieg wurde mit Formationsvarianten zurDieser Publikation liegt die Arbeit mit dem Titel „Ein Beitrag zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter“ [urn:nbn:de:gbv:ilm1-2009000169] zu Grunde, die der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau als Dissertation vorgelegen hat

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