Towards adaptive multi-robot systems: self-organization and self-adaptation

Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.This publication is with permission of the rights owner freely accessible due to an Alliance licence and a national licence (funded by the DFG, German Research Foundation) respectively.The development of complex systems ensembles that operate in uncertain environments is a major challenge. The reason for this is that system designers are not able to fully specify the system during specification and development and before it is being deployed. Natural swarm systems enjoy similar characteristics, yet, being self-adaptive and being able to self-organize, these systems show beneficial emergent behaviour. Similar concepts can be extremely helpful for artificial systems, especially when it comes to multi-robot scenarios, which require such solution in order to be applicable to highly uncertain real world application. In this article, we present a comprehensive overview over state-of-the-art solutions in emergent systems, self-organization, self-adaptation, and robotics. We discuss these approaches in the light of a framework for multi-robot systems and identify similarities, differences missing links and open gaps that have to be addressed in order to make this framework possible

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

Remote Sensing and Geosciences for Archaeology

This book collects more than 20 papers, written by renowned experts and scientists from across the globe, that showcase the state-of-the-art and forefront research in archaeological remote sensing and the use of geoscientific techniques to investigate archaeological records and cultural heritage. Very high resolution satellite images from optical and radar space-borne sensors, airborne multi-spectral images, ground penetrating radar, terrestrial laser scanning, 3D modelling, Geographyc Information Systems (GIS) are among the techniques used in the archaeological studies published in this book. The reader can learn how to use these instruments and sensors, also in combination, to investigate cultural landscapes, discover new sites, reconstruct paleo-landscapes, augment the knowledge of monuments, and assess the condition of heritage at risk. Case studies scattered across Europe, Asia and America are presented: from the World UNESCO World Heritage Site of Lines and Geoglyphs of Nasca and Palpa to heritage under threat in the Middle East and North Africa, from coastal heritage in the intertidal flats of the German North Sea to Early and Neolithic settlements in Thessaly. Beginners will learn robust research methodologies and take inspiration; mature scholars will for sure derive inputs for new research and applications

Gaze and Peripheral Vision Analysis for Human-Environment Interaction: Applications in Automotive and Mixed-Reality Scenarios

This thesis studies eye-based user interfaces which integrate information about the user’s perceptual focus-of-attention into multimodal systems to enrich the interaction with the surrounding environment. We examine two new modalities: gaze input and output in the peripheral field of view. All modalities are considered in the whole spectrum of the mixed-reality continuum. We show the added value of these new forms of multimodal interaction in two important application domains: Automotive User Interfaces and Human-Robot Collaboration. We present experiments that analyze gaze under various conditions and help to design a 3D model for peripheral vision. Furthermore, this work presents several new algorithms for eye-based interaction, like deictic reference in mobile scenarios, for non-intrusive user identification, or exploiting the peripheral field view for advanced multimodal presentations. These algorithms have been integrated into a number of software tools for eye-based interaction, which are used to implement 15 use cases for intelligent environment applications. These use cases cover a wide spectrum of applications, from spatial interactions with a rapidly changing environment from within a moving vehicle, to mixed-reality interaction between teams of human and robots.In dieser Arbeit werden blickbasierte Benutzerschnittstellen untersucht, die Infor- mationen ¨uber das Blickfeld des Benutzers in multimodale Systeme integrieren, um neuartige Interaktionen mit der Umgebung zu erm¨oglichen. Wir untersuchen zwei neue Modalit¨aten: Blickeingabe und Ausgaben im peripheren Sichtfeld. Alle Modalit¨aten werden im gesamten Spektrum des Mixed-Reality-Kontinuums betra- chtet. Wir zeigen die Anwendung dieser neuen Formen der multimodalen Interak- tion in zwei wichtigen Dom¨anen auf: Fahrerassistenzsysteme und Werkerassistenz bei Mensch-Roboter-Kollaboration. Wir pr¨asentieren Experimente, die blickbasierte Benutzereingaben unter verschiedenen Bedingungen analysieren und helfen, ein 3D- Modell f¨ur das periphere Sehen zu entwerfen. Dar¨uber hinaus stellt diese Arbeit mehrere neue Algorithmen f¨ur die blickbasierte Interaktion vor, wie die deiktis- che Referenz in mobilen Szenarien, die nicht-intrusive Benutzeridentifikation, oder die Nutzung des peripheren Sichtfeldes f¨ur neuartige multimodale Pr¨asentationen. Diese Algorithmen sind in eine Reihe von Software-Werkzeuge integriert, mit de- nen 15 Anwendungsf¨alle f¨ur intelligente Umgebungen implementiert wurden. Diese Demonstratoren decken ein breites Anwendungsspektrum ab: von der r¨aumlichen In- teraktionen aus einem fahrenden Auto heraus bis hin zu Mixed-Reality-Interaktionen zwischen Mensch-Roboter-Teams