Einführung in die Robotik Steuerungsarchitekturen. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik. Tel.: (+49) 731 /

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1 Einführung in die Robotik Steuerungsarchitekturen Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik Tel.: (+49) 731 /

2 Steuerungsarchitekturen - Deliberative Architektur - Reaktive Architektur - Hybride Architectur

3 Deliberative Architektur

4 Deliberative Architektur Deliberative Architektur Die deliberative Architektur ist die älteste Steuerungsarchtiktur für mobile Roboter. Dabei werden die Einheiten des Roboters hierarchisch angeordnet: 1. Sensordaten sammeln 2. Daten verarbeiten Plan erstellen 3. Aktion durchführen Sensoren Plan Aktoren Sense-Plan-Act

5 Deliberative Architektur Sense-Plan-Act Sensoren Sensordaten erfassen Weltmodel Plan Ausführen Motorsteuerung Aktoren 1. Aus den Sensordaten wird ein Weltmodell erstellt. 2. Aus dem Weltmodell können jederzeit wieder Informationen abgerufen werden. 3. plan ist dafür zuständig, Lösungen für die Aufgaben zu finden. Er ist von der Qualität des Weltmodells total abhängig. 4. Der fertige Plan wird danach zur Ausführung in der Hierarchie nach unten geleitet.

6 Deliberative Architektur Sense-Plan-Act Erste Implementierung in 60er auf dem Roboter Shakey Shakey ( , Stanford Research Institute USA)

7 Deliberative Architektur Auf der Grundlage des Weltmodells können optimale Lösungen gefunden werden Alle Module sind voneinander abhängig (wenn ein Module ausfällt, das gesamte System fällt aus). Veränderungen der Umgebung erfordern Anpassung des Weltmodells. benötigt Suche (Search) langsam

8 Reactive Architektur

9 Reaktive Architektur Principle: Decompose the problem into many simple behaviors! Many simple behaviors can work together to appear complex. Behavior SENSE ACT SENSE-ACT coupling is called behavior Behavior: Mapping von Sensoren-Eingaben zu Motoren-Aktionen, die zur Ausführung einer Aufgabe führen.

10 Reaktive Architektur Erster Ansatz: Subsumption Architecture (Rodney Brooks, MIT1986) Das Ziel der Subsumption Architektur besteht darin verschiedene Verhalten (Behaviors) parallel auszuführen. Behavior 4 Behavior 3 Behavior 2 SENSE Behavior 1 SENSE SENSE SENSE ACT ACT ACT ACT

11 Reaktive Architektur Subsumption Architecture PLAN Sensoren Behavior 1 Behavior 2 Behavior 3 Behavior 4 Behavior 5 Aktoren

12 Reaktive Architektur Subsumption Architecture How to manage behaviors? Sensoren Behavior 1 Behavior 2 Behavior 3 Behavior 4 Behavior 5 Aktoren

13 Reaktive Architektur How to manage behaviors? Use a Koordinator! Behavior 1 Wie funktioniert er? Behavior 2 Sensoren Behavior 3 Behavior 4 Koordinator Aktoren Behavior 5

14 Reaktive Architektur Was macht ein Koordinator? Establish conditions when each behavior should act. Establish priorities in case two behaviors want to act simultaneously. Define points of suppression to stop a behavior if another would take over.

15 Reaktive Architektur Was macht ein Koordinator? Behavior 1 points of suppression Behavior 2 Sensoren Behavior 3 Behavior 4 Behavior 5 Action Prioritäten Können auch variable sein

16 Reaktive Architektur Erste Implementierung auf dem Roboter Genghis MIT AI Lab (Rodney Brooks), Ende der 80er 6-beiniger Roboter Dezentrale Steuerung Aus den einzelnen Reaktionen setzt sich die Fortbewegung zusammen Genghis

17 Reaktive Architektur Subsumption Architecture Beispiel 1 Ein mobiler Roboter soll an der Wand entlang fahren. robot Lösung Behaviors: 1. Wall-following. 2. Turn corner. Wall following Turn corner Sensoren Wall-following Motoren Turn corner Wall following : Behavior Wechsel

18 Reaktive Architektur Subsumption Architecture Beispiel 2: Staubsauger-Roboter Der Roboter soll zum Beispiel folgendes können: Überall fahren. bei einer Kollision flüchten. bei leerer Batterie zur Ladestation fahren. Als Ausstattung : Radencoder. 1 Infrarotsensor um die Ladestation zu finden. 1 Bumper. 1 Batterie-Sensor. Eine Lösung: z.b. die Behaviors sind: Überall fahren. Dock. Escape.

19 Reaktive Architektur Staubsauger-Roboter odometrie Überall fahren Motorregelung Der Roboter soll alle mögliche Positionen im Raum anfahren.

20 Reaktive Architektur Staubsauger-Roboter Batterie-Sensor IR-Sensor Dock odometrie Überall fahren Motorregelung Das Behavior Dock dient dem Zweck den Roboter zu der Ladestation zu fahren, wenn die Batterien fast leer sind.

21 Reaktive Architektur Staubsauger-Roboter Bumper Escape Batterie-Sensor IR-Sensor Dock odometrie Überall fahren Motorregelung Wird eine Kollision festgestellt, reagiert das Verhalten Escape wie folgendes: Stop, etwas Rückwärtsfahren, und dann 90 Grad umdrehen.

22 Reaktive Architektur kein Weltmodell ist notwendig. Reaktivität (Geschwindichkeit, Echtzeit-fähig). Pläne und Optimierungen sind schwer zu implementieren. Einfacher Entwurf und Implementierung, da jede Ebene für sich betrachtet werden kann. Robust: die Ebenen sind voneinander unabhängig. inkrementelles Design.

23 Hybride Architektur

24 Hybride Architektur best of the both Reaktive Architecture wird z.b für die lokale Hindernissevermeidung eingesetzt. Soll der Roboter zusätzlich ein langfristiges Ziel verfolgen, kommt die deliberative Planung ins Spiel.

25 Hybride Architektur Wie kombiniert man reaktive und deliberative Architekturen? Möglichkeit 1: die deliberativen Komponenten werden wie ein Verhalten integriert, indem sie am Koordinationsprozess auch teilnehmen. Behavior 1 Deliberative Komponent Sensoren Behavior 2 Behavior 3 Koordinator Aktoren Behavior 4

26 Hybride Architektur Wie kombiniert man reaktive und deliberative Architekturen? Möglichkeit 2: die deliberativen Komponenten werden als Plan-geber betrachtet. Ein Plan wird z.b. als Sequenz von Präferenzen für bestimmte Behaviors. Deliberative Komponent Aktivierung Behavior 1 Aktivierung Behavior 2 Sensoren Aktivierung Behavior 3 Behavior 4 Koordinator Aktoren Behavior 5

27 Hybride Architektur Durch die reaktive Handlungsweise reagiert der Roboter schnell, kann aber auch längerfristige Ziele verfolgen. Wie alle Hybrid-Lösungen kann es leicht zu Konflikten kommen, z.b. dass Nachteile beider Lösungen sich vereinen.

28 Ethics Ein wichtiger Aspekt in der Robotik ist die Sicherheit für die Menschen. Asimov s Laws of Robotics (1942) 1.A robot may not injure a human being, or, through inaction, allow a human being to come to harm. 2.A robot must obey orders given it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law. 3.A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with 1or 2.

29 Danke für die Zusammenarbeit und viel Erfolg bei der Klausur

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