Autonome mobile Roboter. PTI 991 Wissensmanagementsysteme Carmen Teich

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1 Autonome mobile Roboter PTI 991 Wissensmanagementsysteme Carmen Teich

2 Übersicht 1. Einleitung 1.1 Roboter, Mobilität, Autonomie? 1.2 Was ist ein autonomer mobiler Roboter? 1.3 Warum und wofür werden Sie gebraucht? 2. Hardware eines autonomen Roboters 3. Software eines autonomen Roboters

3 1.1 Roboter, Mobilität, Autonomie? Roboter - stationäre oder mobile Maschinen - erfüllen nach einem bestimmten Programm festgelegte Aufgaben Mobilität - Roboter ist nicht fix montiert - bewegt sich mehr oder weniger frei in einer bestimmten Umgebung - Art des Terrains bestimmt die notwendigen Aktoren zur Fortbewegung - ebenes Gelände: Räder - zerklüftete Gesteinslandschaften: Ketten oder Beine Autonomie -lässt sich in verschiedenen Graden realisieren -nicht völlig autonom : selbständiges Erkunden der Umgebung, Abarbeitung der gestellten Aufgaben, aber Zurückkehren zu einer Ladestation -notwendige Grad an Autonomie lässt sich aus der Spezifikation der zu erledigenden Aufgaben bestimmen

4 1.2 Was ist ein autonomer mobiler Roboter? als autonome mobile Roboter werden Roboter bezeichnet, die sich in ihrer Umgebung selbständig bewegen und agieren können. Autonomie des Roboters bezieht sich: I. Hard-/Software (direkt auf dem Roboter montiert) II. Unabhängigkeit von einer Energiequelle

5 1.3 Warum und wofür werden Sie gebraucht? mobile Roboter unterscheiden sich stark in Konstruktion und Aufbau durch ihre unterschiedlichen Einsatzgebiete: Selbstbau-und Spielroboter autonome Kleinroboter, deren Einsatzgebiet im nichtkommerziellen Hobby- und Spielbereich liegt Serviceroboter dieser kommerzielle Einsatz der mobilen Roboter gewinnt zunehmend an Bedeutung. typische Einsatzfälle sind: - Informationsplattformen auf Baumärkten - Inspektionsroboter auf Ölplattformen oder in Rohrleitungen - Serviceroboter im Pflege- und häuslichen Bereich

6 2. Hardware eines autonomen Roboters zwei Kategorien: Sensoren und Aktoren zusätzlich: Steuerungselektronik (relativ einfachen Schaltkreisen bis hin zu komplexen Computersystemen) Sensoren -interne Sensoren: versorgen die Steuerungssoftware mit Daten über den Zustand des Roboters (z.b.: Ladezustand der Batterien) -externe Sensoren: liefern Daten über die Umwelt (z.b.: Daten über Art und Entfernung von Hindernissen) Aktoren - dienen der Manipulation des Roboters bzw. der Umgebung -interne Aktoren: verändern den Zustand des Roboters (z.b.: Aufladen der Batterien) - externe Aktoren: zur Fortbewegung oder zum Bewegen von Objekten

7 3. Software eines autonomen Roboters verschiedene Softwareansätze zur Realisierung autonomen Verhaltens in der Praxis: Kombinationen dieser Techniken und Methoden aus dem Bereich der neuronalen Netze Verhaltensbasierte Architektur (Reaktive Architektur) Funktionsorientierte Architektur (DeliberativeArchitektur) Hybride Architekturen Kognitive Architekturen Subsumption Architektur

8 Verhaltensbasierte Architektur (Reaktive A.): einfachste Softwarearchitektur für autonome Roboter (auch Softwareagenten) Verhalten des Roboters wird durch eine Ansammlung von Stimulus- Response (Sense-Act) Regeln definiert sensorischen Inputs werden über jede dieser Regeln iteriert Outputs dieser Regeln (Behaviors) bestimmen dann die Reaktion des Roboters (Kombination der ausgelösten Verhalten wird ausgeführt) Regeln besitzen keinen von außen beobachtbaren State sehr schnelle Architektur: da die Regeln gleichzeitig ausgelöst werden, und ohne Planung ihre Prozeduren durchlaufen

9 Verhaltensbasierte Architektur (Reaktive A.): Vorteil: seine Geschwindigkeit Roboter kann sofort auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren, während andere Architekturen diese gar nicht erst registrieren, oder erst planen müssen wie sie mit diesem Ereignis umgehen Nachteil: Roboter lernt nicht Er erstellt kein internes Weltmodell und kann keine optimalen Routen, geschweige denn Langzeitstrategien planen (hinderlich bei Einsatzgebieten, in denen nur eingeschränkte Kommunikation mit dem Roboter möglich ist)

10 Funktionsorientierte Architektur (Deliberative A.): ist in seinen Eigenschaften das Gegenteil vom reaktiven. erster Schritt: Erstellung eines mehr oder weniger akkuraten internen Weltmodells zweiter Schritt : Planung seiner Aktionen in diesem Weltmodell im Hinblick auf die Erreichung seiner Ziele danach: Ausführung der geplanten Aktionen vorausschauende Planung erfordert ein genaues Weltmodell Erstellung eines solchen Weltmodells kann nicht exakt sein ist immer mit Fehlern behaftet (z.b.: veralteter Plan) Erstellung des Weltmodells benötigt Zeit, Rechen-und Speicherkapazität

11 Funktionsorientierte Architektur (Deliberative A.): Voraussetzung für die Anwendung des deliberativenmodells: Roboter kennt alle kausalen Konsequenzen seiner Handlungen ohne solche Aktion-Konsequenz-Paare ist kein Aufbau eines Aktionsbaums möglich Aktionsbaum wird mittels Suchalgorithmen durchsucht um einen Aktionspfad zum gewünschten Ziel zu erhalten grundlegend für die Ausführung von Aktionen: Annahme dass diese Aktionen atomar bis zu ihrer Konsequenz (Ziel) ablaufen Vorteil: Planung der Aktionen Nachteil: veraltete Weltmodelle können entstehen; rein seriell arbeitend in Praxis: kaum zu finden, da fast immer nebenläufige Prozesse in Robotern ablaufen

12 Hybride Architekturen: versucht die Vorteile vom reaktiven und deliberativen Modell zu vereinen typisches Hybrid Modell besteht aus drei Schichten, welche nur mit der jeweils benachbarten Schicht kommunizieren erste Schicht: Planungskomponente -verfügt über die Informationen über das Ziel der Planung - unterteilt diese in weitere Subziele(Aktionspakete) - verfügt auch über ein Weltmodell dass für das deliberative Planen notwendig ist zweite Schicht: Bindeglied zw. erster und dritter Schicht (Sequencer) -weitere Zerlegung der von der ersten Schicht geforderten Aktionspakete - Aktivierung der Pakte oder Verhalten in der dritten (reaktiven) Schicht -Installierung von Ereignismonitoren, mit denen festgestellt werden kann - ob die gewünschten Verhalten ausgeführt wurden - ob unvorhergesehene Ereignisse eingetreten sind - ob Zeitrahmen überschritten wurden

13 Hybride Architekturen: dritte Schicht: - alle nötigen reaktiven Verhalten, die nötig sind um zum Ziel zu gelangen - interagiert direkt und reaktiv mit der Umgebung alle drei Ebenen arbeiten asynchron und mit verschiedenen Zeitskalen und Datenrepräsentationen in der Literatur am häufigsten besprochene und angewandte Modell viele Abwandlungen dieser Architektur, welche Elemente der künstlichen Intelligenz (neuronale Netzwerke) beinhalten (z.b.: Verwendung einer Extended Kohonen Map zur Antriebskontrolle)

14 Hybride Architekturen: Vorteil: Zusammenführung von - Planung (deliberativ) -Ausführung(reaktiv) -deren gleichzeitiger Ausführung ermöglicht reaktives (schnelles) Verhalten und gleichzeitig die Errechnung eines vollständigen Plans zum gewünschten Zielzustand durch Methoden der symbolischen künstlichen Intelligenz Nachteil: schwierige Koordination der 3 Ebenen durch deren unterschiedliche Datenrepräsentationen und Zeitskalen

15 Kognitive Architekturen: Vordergrund: Lernfähigkeit des Roboters und das Hinzufügen von neuem Handlungswissen Vorbild: kognitive Prozesse des Menschen Ziel: Modellierung von Eigendynamik, Erweiterbarkeit und Generalisierung des Systems bekannte Ansätze: SOAR (Laird 87) u. ACT-R (Anderson 98)

16 Subsumption Architektur : wurde 1986 von Rodney Brooks im IEEE Journal of Robotics and Automation vorgestellt basiert auf der Unterteilung eines Gesamtverhaltens für den Roboter in viele Einzelkomponenten (Module) jedes Modul beinhaltet ein Verhalten für eine spezifische Aufgabe (z.b.: Folge der Wand oder Kollisionsvermeidung ) Module werden in hierarchische Schichten gegliedert, welche verschiedene Kompetenzlevel repräsentieren Verhalten auf höheren Kompetenzstufen können auf Inputs und Outputs von Modulen auf niedrigeren Stufen zugreifen um aus ihnen neue Verhalten zu bilden Ein Beispiel: - Modul Bewege sicher zu Koordinate X,Y -dieses Modul könnte auf zwei weiteren Modulen in der nächst tieferen Schicht aufbauen, zum Beispiel Vermeide Kollision und Bewege zu X,Y

17 Subsumption Architektur : Es gibt zwei Arten von Beeinflussung: - Suppression (Unterdrückung) - Inhibition (Verhinderung) jedes Verhaltensmodul verfügt über eine Kontrollleitung über diese Kontrollleitungen können die Suppression- oder Inhibition- Signale an weiter tiefer in der Hierarchie liegende Verhalten gesendet werden wenn ein Modul ein Suppression-Signal erhält, wird der Output dieses Moduls durch den Output des Moduls ersetzt, welches das Suppression- Signal gesendet hat Verhalten einer Kollisionsvermeidung kann unterdrückt werden und statt dessen die Outputs eines Verhaltens Stoße-Tür-auf an die Motoren gesendet werden Inhibition-Signal verhält sich ähnlich, nur dass hier der Output des Moduls unterdrückt wird, an das es gesendet wird

18 Subsumption Architektur : auf diese Art wird ein Verhaltensnetzwerk aufgebaut, in dem auch Module niederer Schichten erhalten bleiben (nicht etwa so wie im Hybrid Modell wo diese nach Bedarf in die reaktive Schicht eingebettet oder deaktiviert werden) Probleme: - keine Kommunikation zwischen den Modulen -Bsp.: Ein Modul im Layer 0 hat zum Beispiel die Möglichkeit Abgründe oder Stufen zu erkennen und vorher zu stoppen. Wenn nun ein Modul im Layer 3 eine Steckdose erkennt und beschließt der Roboter muss seine Batterien aufladen, kann das Signal vom Layer 3 den Layer 0 unterdrücken, und der Roboter könnte Stiegen herunterfallen

19 Quellen

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!