steuerungsarchitekturen für stand-alone-robotersysteme

Steuerungsarchitekturen für Stand-Alone-Robotersysteme

Seminar Robotik WS 04/05

Torsten Ehli

31.1.2005 Steuerungsarchitekturen für Stand-Alone-Robotersysteme

2

1. Allgemeine Anforderungen an Roboter

2. Klassische Zerlegung

3. Ansatz von Brooks: Ebenenentwicklung

4. Beschreibung der Ebenen

5. Weiterentwicklungen und Beispiele

6. Fazit

Inhalt


3

1. Anforderungen

1. Parallele Tätigkeiten und Ziele

2. Paralleler Sensorbetrieb

3. Robustheit

4. Erweiterbarkeit


4

2. Klassische Zerlegung

Sensoren

Wahrnehmung

Modellierung anpassen

Planung

Aufgabenbearbeitung

Regelung der Motoren Gelenk

e


5

3. Annahmen von Brooks

1. Komplexität

2. Dinge einfach halten

3. Kartierung

4. Drei Dimensionen

5. Relative Koordinaten

6. Umgebung

7. Sensornutzung

8. Selbstkalibrierung

9. Selbsterhaltung


6

3. Subsumption Architektur

Sensoren

Gelenke

Verhalten von Objekten ergründen

Veränderungen an der Welt planen

Objekte Identifizieren

Veränderungen beobachten

Karten erstellen

Erkunden

Wandern

Objekte vermeiden


7

3. Subsumption Architektur

Aufgabenorientierte Zerlegung

Parallelisierung der Aufgabenbearbeitung

Schnelle Verarbeitung notwendiger Daten

Reduzierung des Overheads


8

3. Ebenen hinzufügen

Induktiver Aufbau Ebene 0 vollständig fehlerfrei

Höhere Ebene

Niedrigere Ebene

Lesen

Verändern

unbewusst


9

3. Design der Ebenen

Innerhalb einer Ebene werden nur benötigte globale Ressourcen verwendet.

Verteiltes System von Modulen Erweiterte Endliche Automaten Eigene Zeitgeber Minimaler lokaler Speicher Asynchron getaktet

Kommunikation über Leitung untereinander Keine Empfangsbestätigungen


10

3. Kommunikation

Jedes Modul hat verschieden Ein- und Ausgänge

Eingangsleitungen haben einen Speicherplatz Eingaben können Überschrieben werden (Supressed) Ausgaben können Unterdrückt werden (Inhibited) Modul kann in den Ursprungszustand versetzt

werden

ModulEingänge

AusgängeS

10

Reset

I3


11

3. Anforderungen

1. Parallele Tätigkeiten und Ziele

2. Paralleler Sensorbetrieb

3. Robustheit

4. Erweiterbarkeit


12

4. Ebene 0Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motor

Motorstatus


13

4. Ebene 0

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motorstatus


14

4. Ebene 0

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motorstatus


15

4. Ebene 0

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motorstatus


16

4. Ebene 0

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motorstatus


17

4. Ebene 1

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Aus-weichen

WandernRichtung

S1.5

Motorstatus


18

4. Ebene 1

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Aus-weichen

WandernRichtung

S1.5

Motorstatus


19

4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando

Monitor IntegrationRoboter

Integral

Drehen


20

4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando


Integral

Drehen


21

4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando


Integral

Drehen


22

4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando


Integral

Drehen


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4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando


Integral

Drehen


24

5. Genghis

32 Module reichen zum Laufen


25

5. Genghis - Hardware

Je Bein zwei Servomotoren

Sensoren 6 passive Infrarotdetektoren 2 Berührungssensoren als Barthaare 2 Neigungsmesser


26

5. Genghis

57 Module in der endgültigen Version Einfaches Gehen Stabileres Laufverhalten Verfolgen von sich bewegenden

Objekten 2 Möglichkeiten Hindernisse zu

erkennen


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5. Weiterentwicklungen

Flexibleres Überschreiben und Unterdrücken

Gruppierung von Modulen zu abgeschlossenen Verhalten Innerhalb und zwischen Verhalten:

Nachrichten Überschreiben Unterdrücken


28

5. Cog

Menschenähnlicher Roboter Verhaltensbasiert Zwei 6-DOF Arme 7 DOF Kopf (Augen 3, Hals 4) 3 DOF Torso (noch ?) keine Beine Hände und Gesicht sind aktuelle

Projekte


29

5. Kismet

„nur“ ein Kopf (15 DOF)

Simulation sozialer Interaktion Mimik Sprache

Verhaltensbasiert


30

5. Kismet


31

6. Fazit

Divide-and-Conquer Ansatz

Einfach zu erweitern

Aktueller Gegenstand der Forschung


32

Quellen

http://people.csail.mit.edu/u/b/brooks/public_html/Rodney A. Brooks: „A Robust Layered Control System for a Mobile Robot “ (1986)Rodney A. Brooks: „A Robot that Walks; Emergent Behaviors from a Carefully Evolved Network “ (1989)Rodney A. Brooks: „Elephants Don‘t Play Chess “ (1990)

Rodney A. Brooks, Anita M. Flynn: „Fast, Cheap and out of Control: A Robot Invasion of the Solar System “ (1989)Rodney A. Brooks, „From Earwigs to Humans “, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 20, Nos. 2–4, June 1997, pp. 291–304.


33

Quellen (2)

http://www.ai.mit.edu/projects/humanoid-robotics-group/ ... kismet/kismet.html ... cog/cog.html ... genghis/genghis.html

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