Aufgabenorientierte Multi-Robotersteuerungen auf Basis des SBC-Frameworks und DEVS: vorgelegt von Birger Freymann

In der Industrie sind Roboter bereits seit Jahrzehnten als leistungsfähige und flexible Werkzeuge etabliert. Mit neuen Anwendungsbereichen und Anforderungen, wie sie zum Beispiel im Rahmen der Industrie 4.0 Initiative definiert werden, kommt der effizienten Entwicklung von Robotersteuerungen eine immer größere Bedeutung zu. Diese Tendenz erfordert die Entwicklung neuer Methoden zur herstellerunabhängigen und applikationsübergreifenden Programmierung von Roboteranwendungen. Entscheidend sind hierbei systematische Vorgehensmodelle, theoriekonforme und modellbasierte Entwicklungsmethoden sowie moderne Programmiersysteme als Entwicklungswerkzeuge. Die Vielzahl der herstellerspezifischen Entwicklungsumgebungen auf dem Markt zeigt, dass sich existierende Standards im Bereich der Steuerungsentwicklung für Roboter bisher kaum durchsetzen konnten. Die methodische und softwaretechnische Diversität erschwert es, unterschiedliche Robotertypen und Roboter unterschiedlicher Hersteller in Teams zu gruppieren, um leistungsfähige, flexible und kostengünstige Multi-Robotersysteme (MRS) umzusetzen. Durchgängige Toolketten sowie Methoden der Modellbildung und Simulation spielen dabei eine wichtige Rolle. In der Literatur wird in diesem Zusammenhang vom Rapid-Control-Prototyping (RCP) gesprochen. Gegenwärtig sind RCP-basierte Techniken in der industriellen Robotik fast immer herstellerspezifisch. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur durchgängigen, modellbasierten und herstellerunabhängigen Steuerungsentwicklung für Roboterteams mit industriellen Knickarmrobotern entwickelt. Aufbauend auf dem Simulation-Based-Control (SBC)-Ansatz und dem Task-Oriented-Control (TOC)-Ansatz werden Entwicklungsmethoden aus dem Bereich von Single-Robotersystemen (SRS) auf MRS übertragen. Es werden mögliche Interaktionen zwischen Robotern untersucht und hierauf aufbauend Interaktionsklassen definiert. Zur Umsetzung einer durchgängigen Steuerungsentwicklung wird der Discrete-Event-System-Specification (DEVS)-Formalismus diskutiert und es werden Erweiterungen zur Echtzeit- und Prozessanbindung untersucht. Hieraus abgeleitet wird ein modifizierter Formalismus entwickelt und dessen Eignung zur durchgängigen, modellbasierten Steuerungsentwicklung anhand eines Fallbeispiels demonstriert. Zur Spezifikation der entwickelten Modelle wird die DEVS-Diagramm-Notation verwendet und um zusätzliche Beschreibungsmittel erweitert. Basierend auf den zuvor definierten Interaktionsklassen werden Lösungsansätze zur TOC-basierten Umsetzung von Interaktionen mittels modularer und wiederverwendbarer Aufgaben erarbeitet. Anschließend wird deren prototypische Umsetzung anhand von Fallbeispielen mittels des neu entwickelten DEVS-Formalismus gezeigt. Die Komplexität der Interaktionen steigt mit jedem Fallbeispiel an. Zur besseren Handhabung der Komplexität wird mit dem Erweiterten System-Entity-Structure/Model-Base (SES/MB)-Ansatz eine zusätzliche modellbasierte Technik eingeführt, mit dem SBC- sowie dem TOC-Ansatz integriert und anhand eines Fallbeispiels der bisherigen Vorgehensweise gegenübergestellt.Robots have been established in industry for decades as powerful and flexible tools. With new application areas and requirements, such as those defined in the context of the Industry 4.0 initiative, the efficient development of robot controllers is becoming increasingly important. This trend requires the development of new methods for the manufacturer-independent and application-independent programming of robot applications. The decisive factors here are systematic procedural models, theory-compliant and model-based development methods, and modern programming systems as development tools. The large number of manufacturer-specific development environments on the market shows that existing standards in the area of control development for robots have hardly been able to establish themselves. The methodological and software diversity makes it difficult to group different robot types and robots from different manufacturers in teams in order to implement powerful, flexible and cost-effective multi-robot systems (MRS). Continuous tool chains as well as methods of modeling and simulation play an important role in this context. In the literature, rapid control prototyping (RCP) is spoken of in this context. Currently, RCP-based techniques in industrial robotics are almost always manufacturer-specific. In this thesis, an approach for end-to-end, model-based and vendor-independent control development for robot teams with industrial jointed-arm robots is developed. Based on the Simulation-Based-Control (SBC) approach and the Task-Oriented-Control (TOC) approach, development methods from the field of single robot systems (SRS) are transferred to MRS. Possible interactions between robots are investigated and, based on this, interaction classes are defined. For the implementation of an integrated control development the Discrete-Event-System-Specification (DEVS) formalism is discussed and extensions for real-time and process integration are investigated. Derived from this, a modified formalism is developed and its suitability for integrated, model-based control development is demonstrated by means of a case study. For the specification of the developed models the DEVS diagram notation is used and extended by additional descriptive means. Based on the previously defined interaction classes, approaches for the TOC-based implementation of interactions are developed using modular and reusable tasks. Subsequently, their prototypical implementation is shown on the basis of case studies using the newly developed DEVS formalism. The complexity of the interactions increases with each case study. For a better handling of the complexity, the Extended System-Entity-Structure/Model-Base (SES/MB) approach is introduced as an additional model-based technique, integrated with the SBC and TOC approaches, and compared with the previous approach using a case study

Modeling and Control of a Cooperative Road Traffic by means of Petri-Nets and Consensus-Algorithms

Die vorliegende Arbeit behandelt die Konzeption eines zukünftigen automatisierten Straßenverkehrs für Autobahnen auf Basis von fahrzeuglokalen Entscheidungsmechanismen und Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation. Der derzeitige Straßenverkehr zeichnet sich durch unterschiedliches und deviantes Fahrzeug- bzw. Fahrerverhalten aus, dessen Konsequenz Phänomene wie Staus und Verkehrsunfälle sind. Die Homogenisierung des Fahrzeugverhaltens soll diese negativen Phänomene eliminieren und durch autonom fahrende Fahrzeuge, die untereinander kommunizieren können, realisiert werden. Hierzu ist der Entwurf einer fahrzeuglokalen homogenen Regelbasis erforderlich, die das spezifizierte Verkehrsverhalten realisiert. Zu diesem Zweck wird der Straßenverkehr als ein Objektsystem auf Basis von Petrinetzen mit zwei Ebenen modelliert. Die Straßennetzebene bildet das globale Verhalten einer Fahrzeuggruppe ab, während die Formationsnetzebene die Interaktionen zwischen den Fahrzeugen repräsentiert. Durch Kombination von Straßen- und Formationsnetzen werden verschiedene Verkehrssituationen generiert. Mit den jeweils assoziierten Formationsnetzen wird eine Erreichbarkeitsanalyse durchgeführt. In jedem Erreichbarkeitsgraphen werden anschließend Zielzustände identifiziert und ein Pfad zu diesen ermittelt, der ein definiertes Gütemaß minimiert und konsekutiven Interaktionen der Fahrzeuge entspricht. Mittels der Analyse fahrzeuglokaler Umgebungsparameter werden die jeweiligen Aktionen der Fahrzeuge zu einer fahrzeuglokalen Regelbasis kombiniert. Zur Koordination der beteiligten Fahrzeuge wird auf dieser Basis ein Kommunikationsprotokoll definiert, das um Konsens-Algorithmen ergänzt wird, welche die Stabilisierung der Formationen sicherstellen. Resultat sind eine Regelbasis und ein Kommunikationsprotokoll, die als verteiltes Regelungssystem ein Verkehrsverhalten erzeugen, das die Straßenkapazität bestmöglich ausnutzt und Unfälle inhärent vermeidet. Ein Rahmenwerk ermöglicht neben der Unterstützung beim Entwurf der Regelbasis auch eine fahrphysikalische Simulation von Fahrzeuggruppen auf begrenzten Fahrbahnabschnitten, sodass das hieraus resultierende Verkehrsverhalten erkennbar wird.This contribution presents a concept of a future automated road traffic for highways, based on vehicle-local decision-making and car2car communication. Present road traffic is characterized by varying and deviant vehicles' and drivers' behavior, that results in phenomena as traffic jams and accidents. A homogenization of the vehicles' behavior shall be a remedy against this, by means of autonomous driving and communicating vehicles. Main objective is the development of a vehicle-local homogenous rule-base realizing a specified traffic behavior. For this purpose road traffic is modeled as an object system by means of Petri Nets, consisting of a system net and an object net. The system net represents the road network, whereas an object net is a representation of a vehicle formation. This concept is used to model different traffic scenarios. For each associated formation net the reachability graph is calculated and analyzed regarding target states and their shortest paths minimizing the predefined cost function. The shortest paths are equivalent to consecutive vehicle interactions, which are furthermore mapped to vehicle-local environmental parameters to construct a well-defined rule-base. For the coordination between the vehicles an associated communication protocol is generated and combined with consensus-algorithms to ensure stability of the vehicle formations. Result is a rule-base realizing a distributed vehicle control which inherently avoids accidents while utilizing full road capacity. According to this, a framework offers, besides support at the rule-base generation, the simulation of the resulting collective behavior of a scalable vehicle formation in certain traffic scenarios with high physical insight