Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik

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1 Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik lectures/2011ss/vorlesung/gdsr Jianwei Zhang Universität Hamburg Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Technische Aspekte Multimodaler Systeme Sommersemester 2011 J. Zhang 1

2 Gliederung Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik 1. Einführung 2. Grundlagen der Robotik 3. Grundlagen der Sensorik 4. Scandaten verarbeiten 5. Rekursive Zustandsschätzung 6. Fuzzy-Logik 7. Steuerungsarchitekturen J. Zhang 2

3 7 Steuerungsarchitekturen Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Gliederung 1. Einführung 2. Grundlagen der Robotik 3. Grundlagen der Sensorik 4. Scandaten verarbeiten 5. Rekursive Zustandsschätzung 6. Fuzzy-Logik 7. Steuerungsarchitekturen Basisverhalten Subsumption Verhaltensfusion Hierarchische Entwürfe Interaktive Architekturen J. Zhang 304

4 7.1 Steuerungsarchitekturen - Basisverhalten Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Das Perzeption-Aktion-Modell mit Gedächtnis J. Zhang 305

5 7.1 Steuerungsarchitekturen - Basisverhalten Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Das CMAC-Modell CMAC: Cerebellar Model Articulation Controller (Englisch) The input vector S is modelled as sensory firing cell patterns. The combination of the cell patterns produces an association vector A. This association cell vector multiplied by the weight matrix W produces a response vector P. The CMAC model can be viewed as two mappings: f : S A g : A P S = {sensory input vectors} A = {association cell vectors} P = {response output vectors} J. Zhang 306

6 7.1 Steuerungsarchitekturen - Basisverhalten Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Das CMAC-Modell (cont.) J. Zhang 307

7 7.1 Steuerungsarchitekturen - Basisverhalten Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik B-Spline-Modell The B-Spline model is an ideal implementation of the CMAC-Model. The CMAC model provides an neurophysiological interpretation of the B-Spline model. J. Zhang 308

8 7.1 Steuerungsarchitekturen - Basisverhalten Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik B-Spline-Modell (cont.) J. Zhang 309

9 7.1 Steuerungsarchitekturen - Basisverhalten Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Alvinn - Visuelle Navigation CMU J. Zhang 310

10 7.1 Steuerungsarchitekturen - Basisverhalten Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Handlungsorientierte Perzeption J. Zhang 311

11 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Die Subsumptions-Architektur A robot program employing the modelling/planning paradigm is composed of a sequence of steps. These functional units transform a snapshot of sensory data into a series of actions inteded to achieve a specified goal. (Englisch, R. Brooks) J. Zhang 312

12 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Die Subsumptions-Architektur (cont.) A subsumption architecture for a mobile robot Rug Warrior begins with a behaviour called Cruise (moving forward). Follow is triggered by photo-cells to move toward right. Avoid suppresses Follow and Cruise when the near-infrared sensors detect an imminent collision and Escape also helps to avoid obstacles. The highest-level behaviour, Detect-Sound-Pattern caused the robot to play a tune. J. Zhang 313

13 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Die Subsumptions-Architektur (cont.) Inputs from sensors Sensors Interpretation World Modeling Planing Execution Outputs to actuators J. Zhang 314

14 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Die Subsumptions-Architektur (cont.) J. Zhang 315

15 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Die Subsumptions-Architektur (cont.) J. Zhang 316

16 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Foraging and Flocking J. Zhang 317

17 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Cockroach Neuron / Behaviors J. Zhang 318

18 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Steuerungsarchitektur eines Fisches Control and information flow in artificial fish: Perception: sensors, focusser, filter Behaviours: behaviour routines Brain/mind: habits, intention generator Learning: optimization Motor: motor controllers, actuactors/muscles J. Zhang 319

19 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Steuerungsarchitektur eines Fisches (cont.) J. Zhang 320

20 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Active Vision Architecture J. Zhang 321

21 7.2 Steuerungsarchitekturen - Subsumption Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Procedural Reasoning System - SRI 1987 J. Zhang 322

22 7.3 Steuerungsarchitekturen - Verhaltensfusion Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Verhaltensfusion Hierarchische Fuzzy-Regelung eines Roboters J. Zhang 323

23 7.3 Steuerungsarchitekturen - Verhaltensfusion Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Verhaltensfusion (cont.) Für die Situationsbewertung werden Fuzzy-Regeln benutzt Durch die Situationsbewertung werden 3 Fuzzy-Parameter bestimmt: 1. die Priorität K 2. der Replanning-Selector 3. und NextSubgoal, ob ein Unterziel vorbei ist. Beispiel einer typischen Regel: IF (SL85 IS HIGH) AND (SL45 IS VL) AND (SLR0 IS VL) AND (SR45 IS VL) AND (SR85 IS VL) THEN K IS HIGH AND Replan IS LOW Koordinierung von mehreren Regelbasen: Speed = Speed LCA K + Speed SA (1 K) Steer = Steer LCA K + Steer SA (1 K) J. Zhang 324

24 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Hierarchie A RCS (real-time Control System) reference model architecture for intelligent system. (Englisch, J. Albus) Processing modes are organised such that the BG (Behaviour Gernation) modules form a command tree. Information in the knowledge database is shared between WM (World Model) modules in nodes within the same subtree. On the right, are examples of functional characteristics of the BG modules and stored by the WM in the knowledge database at each level. J. Zhang 325

25 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Hierarchie (cont.) J. Zhang 326

26 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Hierarchie (cont.) J. Zhang 327

27 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Hierarchie (cont.) J. Zhang 328

28 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Sensor-Hierarchie J. Zhang 329

29 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Hierarchie (cont.) J. Zhang 330

30 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Ein anderes Beispiel: Meystel J. Zhang 331

31 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Ein anderes Beispiel: Saridis J. Zhang 332

32 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Eine Architektur für lernende Roboter J. Zhang 333

33 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Das AuRA-Modell Arkin 86 J. Zhang 334

34 7.4 Steuerungsarchitekturen - Hierarchische Entwürfe Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Atlantis Nasa Rovers 1991 J. Zhang 335

35 7.5 Steuerungsarchitekturen - Interaktive Architekturen Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Architektur für interaktive Roboter Perzeption Roboter Umwelt Menschliche Instruktionen Sensorgedächtnis interne Sensoren taktile KMS passive Kameras aktive Kameras Mikrophon Sprachgenerierung Sensor Management Roboterzustände sprachliche Perzeption Visuelle Perzeption J. Zhang 336

36 7.5 Steuerungsarchitekturen - Interaktive Architekturen Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Architektur für interaktive Roboter (cont.) + Kognition Roboter Handlungsgedächtnis (AG) Wissensbasis Dialoggedächtnis (AG) Szenengedächtnis (AG) Umwelt Menschliche Instruktionen Sensorgedächtnis interne Sensoren taktile KMS passive Kameras aktive Kameras Mikrophon Sprachgenerierung Sensor Management Gestikerkennung Roboterzustände sprachliche Perzeption Visuelle Perzeption Simulation (V.K.) Planung Dialog Sprachproduktion Instruktionsverstehen Sprach -erkennung -verstehen Szenenerkennung sprachliche Perzeption Visuelle Perzeption J. Zhang 337

37 7.5 Steuerungsarchitekturen - Interaktive Architekturen Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Architektur für interaktive Roboter (cont.) Gesamtarchitektur Roboter Umwelt Menschliche Instruktionen M.G. Primitiv 1 Primitiv Sensorgedächtnis interne Sensoren taktile KMS passive Kameras aktive Kameras Mikrophon Sprachgenerierung Sequenzialisierung Sensor Management sprachliche Perzeption Visuelle Perzeption Monitoring Handlungsgedächtnis (AG) Simulation (V.K.) Planung Wissensbasis Dialog Sprachproduktion Dialoggedächtnis (AG) Instruktionsverstehen Gestikerkennung Sensormotorischesgedächtnis Roboterzustände Szenengedächtnis (AG) Sprach -erkennung -verstehen Szenenerkennung sprachliche Perzeption Visuelle Perzeption J. Zhang 338

38 7.5 Steuerungsarchitekturen - Interaktive Architekturen Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik Rückblick Vorlesungsteil Robotik Vorlesungsteil versucht Überblick über ausgewählte Bereiche der Robotik zu geben Kriterium der Auswahl: Relevanz zur Nanorobotik wegen der knappen Zeit leider nur ein Streiflich viele interessante Fragestellungen wie z. B. Lernverfahren unberücksichtigt Lust auf Makro-/Nanorobotik geweckt? J. Zhang 339