Evolution von Laufrobotersteuerungen mit Genetischer Programmierung

Die Evolution von Laufrobotersteuerungen mit Genetischer Programmierung wird anhandunterschiedlicher Roboterarchitekturen sowohl in der Simulation als auch mit realen Roboternuntersucht. Bedingt durch die lang andauernden Auswertungen von Laufprogrammen in Simulationund Realität werden die Methoden der Evolution - Evaluation, Selektion und Variation zusätzlicheiner gründlichen Analyse unterzogen, um den evolutionären Prozess zur automatischen Generierungvon optimierten Laufrobotersteuerungen möglichst zu beschleunigen.Im ersten Teil der Arbeit werden Grundlagen der Evolution von Laufroboterprogrammen erläutert. InKapitel 1 wird die Thematik der autonomen mobilen Roboter eingehend betrachtet, wobei dasTeilgebiet der Laufroboter und die speziell hierfür relevanten Problemstellungen dargestellt werden.Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit der Genetischen Programmierung, einem Spezialfall derEvolutionären Algorithmen. Die für die Arbeit benötigten Begriffe des evolutionären Rechnens werdenvereinbart, sowie die grundlegenden Mechanismen evolutionärer Algorithmen aufgezeigt. Hierbei wirddetailliert auf die besonderen Eigenschaften der Genetischen Programmierung eingegangen. Im drittenKapitel werden die mathematischen Grundlagen der Dynamiksimulation von Laufrobotern -Kinematik, Dynamik, Kollisionserkennung - dargestellt.Der zweite Teil der Arbeit führt in die Thematik der Evolution von Laufrobotersteuerungen ein. InKapitel 4 werden detailliert die generelle Zielsetzung und die verwendeten Methoden bei der Evolutionvon Robotersteuerungen beschrieben. Es wird hierbei besonders die Repräsentation vonKontrollstrukturen autonomer Roboter in Evolutionären Algorithmen und die Umsetzung auf reale odersimulierte Roboter diskutiert. Anschließend wird die Methodik für die Evolution vonLaufroboterprogrammen mit Genetischer Programmierung eingeführt. Die Notwendigkeit derEvolution mit simulierten und realen Robotern, sowie die Möglichkeit, beide Alternativen gleichzeitigzu verwenden, wird diskutiert.In Teil III der Arbeit werden die Experimente zur Evolution von Laufprogrammen präsentiert. InKapitel 7 wird das Laufzeitverhalten der Evolution von Laufroboterprogrammen untersucht. Kapitel 8zeigt die erfolgreiche Evolution von Laufprogrammen für eine Vielfalt von Roboterformen in derSimulation auf. Die Angabe eines Gütekriteriums ist essenziell für die Evolution von Laufmustern undwird eingehend diskutiert. Dargestellt werden die Auswirkungen verschiedener Varianten derFitnessfunktion auf die resultierenden Bewegungsmuster der Roboter. Im Kapitel 9 werden für einensowohl real als auch als Computermodell existierenden humanoiden Roboter Laufprogrammeevolviert. Die Ergebnisse von Evolutionsläufen mit vierbeinigen Laufrobotern werden in Kapitel 10vorgestellt. Die Resultate der Experimente unter Einbeziehung der interaktiven Evolution und derModellierung der Fitnessfunktion zeigen eine deutliche Verbesserung gegenüber demStandardalgorithmus

Contributing to control of the heavy duty hydraulic robot ALDURO

Die Tatsache, dass die Hälfte der Landoberfläche der Erde nur zu Fuß erreicht werden kann und dazu die bereiften Fahrzeuge ihre Effizienz im unwegsamen Gelände verlieren, war den Beweggrund für die Entwicklung autonom operierender mobiler Roboter. Ausgehend von der kinematischen Struktur des menschlichen Beins wurde der vierbeinige rechnergesteuerte Schwerlastroboters ALDURO konstruiert und aufgebaut. Laufmaschinen stellen typische Beispiele zeitinvarianter dynamischer Systeme dar, was ihre Steuerung und Regelung erschwert. Daher führen lineare Regelungsansätze zu keiner zufriedenstellenden Regelgüte. In den vorherigen Arbeiten zur Steuerung und Regelung des Laufroboters ALDURO werden die Dynamik des Antriebsystems, die Reibkräfte, die Dynamik der Umgebung sowie die auf die Aktoren wirkenden Interaktionskräfte bei Auslegung der eingesetzten modellbasierten Lage- und Kraftregelung nicht berücksichtigt, welche das Verhalten des geschlossenen Regelkreises beeinflussen. Darüber hinaus hängt die modellbasierte Regelung von Genauigkeit des mathematischen Modells der Laufmaschine ab. Die Entwicklung der auf Fuzzy-Logik basierten Regelungskonzepte stellt in dieser Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Anpassung der Geschwindigkeitsregelungsparameter für die Antriebe dar, so dass die Regelungsparameter entsprechend der aktuellen Antriebdynamik in jedem Zeitpunkt angepasst werden. Der scharfe Wert des direkten Fuzzy-Geschwindigkeits-reglers wird gemäß der auf den Zylinder wirkenden Kräfte und der Regelabweichung angepasst. Mit steigender Anzahl der Fuzzy-Mengen der Ein- und Ausgangsgrößen und der Regelbasis steigt die Rechenzeit. Der Vorteil beim Einsatz der Fuzzy-Logik zur Adaption der klassischen Reglerparameter ist die Möglichkeit, dass auf das Antriebmodell verzichtet werden können. Darüber hinaus können die Nichtlinearitäten im Übertragungsverhalten berücksichtigt werden. Innerhalb dieser Strukturen wird weiterhin zur Minimierung des Rechenaufwands ein klassischer Regelkern eingesetzt, dessen Parameter durch die Fuzzy-Logik angepasst werden. Die Rückführungsregelung beruht auf der Tatsache, dass alle Zustände des Antriebs zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung stehen. Aufgrund der hohen Kosten der Sensorik kommen hier Beobachter zum Einsatz. Die Zustände und die auf den Zylinder wirkenden Kräfte der hydraulischen Antriebe werden anhand des modellbasierten Proportional-Integral-Beobachters (PI-Beobachter) geschätzt. Der I-Anteil dient dabei zur Abschätzung der Nichtlinearitäten und der unbekannten Störgrößen des Systems. Durch eine geeignete Rückführungsmatrix wird ein robustes Verhalten des PI-Beobachters erzielt. Zur Berechnung des geforderten Pumpenvolumenstroms für den Laufroboter ALDURO beim Laufen mit einem periodischen Gangmuster ist die Modellierung des gesamten Roboters sowie der Umgebung in der Simulationsumgebung, wie z. B. MODELICA/DYMOLA erfolgt. Das periodische Gangmuster gewährleistet die statische Stabilität beim Laufen. Die Aufstandkräfte werden in Abhängigkeit von der Standphase auf die neun bzw. zwölf Zylinder aufgeteilt, wodurch die Druckabfälle an den Zylindern ermittelt werden können. Darauf basierend wird die hydraulische Antriebsleistung entsprechend dem mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad und der Antriebsdrehzahl berechnet. Durch die Kenntnisse von Durchmesser, Hub und Geschwindigkeit (aus dem Gangmuster) der hydraulischen Zylinder wird eine Berechnung des geforderten Pumpenvolumenstroms durchgeführt. Daher kann die maximale Laufgeschwindigkeit des Roboters unter der Ausnutzung der maximalen Leistung des Antriebsystems abgeschätzt werden

Stochastische modell-prädiktive Regelung nichtlinearer Systeme

Diese Arbeit behandelt neuartige Verfahren zur modell-prädiktiven Regelung (MPC) nichtlinearer Systeme unter umfassender Berücksichtigung stochastischer Unsicherheiten. Bei dem hier vorgestellten Framework zur stochastischen nichtlinearen MPC (SNMPC) wird neben dem unsicheren Systemverhalten auch die Zugänglichkeit des zu regelnden Systemzustands explizit bei der Stellgrößenberechnung berücksichtigt. Die vorgestellten Verfahren werden anhand der Regelung miniaturisierter Laufroboter evaluiert

Entwicklung von Regelungsstrategien für elastisch angetriebene zweibeinige Laufmaschinen

Die technische Umsetzung des elastischen Laufens ist durch die Realisierung biomechanisch motivierter Regelungsstrategien möglich. Der Mensch verwendet bei der Fortbewegung die Feder-Dämpfer-Eigenschaften der Muskeln als Energiespeicher. Als dafür nötigen elastischen Antrieb wird ein künstlicher Muskel nach dem McKibben-Prinzip verwendet. Hierbei wird eine Regelung für elastisches Gehen entworfen, welche aktiv und passiv die Eigenschaften der Muskeln für eine energieeffiziente Bewegung nutzt

Forum - Ausgabe 2012/2013

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2012/2013

Forum - Ausgabe 2011/2012

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2011/2012

Forum - Ausgabe 2014

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2014

Neues Konzept zur Bewegungsanalyse und -synthese für Humanoide Roboter basierend auf Vorbildern aus der Biologie

Es werden neue Methoden zur Bewegungsgenerierung und -analyse von humanoiden Robotern vorgestellt und zur Anwendung gebracht. Als Vorbild dienen zum Einen menschliche Reflexe, zum Anderen zentrale neuronale Mustergeneratoren (CPG) für zyklische Bewegungen. Mit Leaky Integrate-and-Fire Neuronen wird ein generisches Reflexmodell erstellt und für konkrete Reflexe realisiert. Die erstellten CPGs dienen sowohl der Bewegungsanalyse als auch der -generierung für einen zweibeinigen Demonstrator

Jahresbericht Forschung und Entwicklung 2009

Forschungsjahresbericht 2009 der Hochschule Konstanz Technik, Wirtschaft und Gestaltun

Forum - Ausgabe 2010/2011

Informiert über die Forschungsaktivitäten an der Hochschule Konstanz im Jahr 2010/2011