Kontrollarchitekturen mobiler Roboter


Seminararbeit, 2005

22 Seiten, Note: 2.0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Einführung
2.1 Definition autonomer mobiler Roboter (AMR)
2.2 Anforderungen an einen AMR
2.3 Problemstellung und Kapitelübersicht

3 Kontrollarchitekturen
3.1 Geschichtete versus Zentralisierte Systeme
3.1.1 Geschichtete Systeme
3.1.2 Zentralisierte Systeme
3.1.3 Blackboard Architekturen
3.2 Reaktive versus deliberative Systeme
3.2.1 Reaktive Systeme
3.2.2 Deliberative Systeme
3.3 Funktionale versus verhaltensbasierte Systeme
3.3.1 Funktionale Systeme
3.3.2 Verhaltensbasierte Systeme
3.4 Hybride Systeme
3.4.1 Reaktive und deliberative Systeme
3.4.2 Funktionale und verhaltensbasierte Systeme

4 Zusammenfassung
4.1 Vergleich
4.2 Lokalisationsproblem

Quellenverzeichnis

1 Einleitung

Die Vorläufer heutiger Roboter können in den frühen mechanischen Geräten (Automaten) gesehen werden. Hinweise auf Automaten und bewegliche Statuen in Ägypten und Griechenland finden sich schon einige Jahrhunderte vor Christus.

Der Begriff Roboter wurde erstmals 1921 durch das Drama „Rossums Universal Robots“ des tschechischen Dichters Karl Capek geprägt. Darin wird beschrieben, wie Roboter vom Menschen zur Fronarbeit (tschechisch ,,robota“) gezwungen werden und schließlich rebellieren. Weltweit bekannt wurde der Begriff Roboter durch die Romane von Isaac Asimov und seine Gesetze der Robotik, die ihren Ursprung in den kybernetischen Modellen der 50er und 60er Jahren hatten. Das Ziel der Kybernetik war es, zu durchschauen wie ein System funktioniert oder es mit einer fest vorgegebenen Steuerung zu versehen um eine bestimmte Funktion zu erzeugen. Man versuchte damit, das Verhalten primitiver Insekten nachzuahmen. Die kybernetischen Modelle hatten nur wenige Sensoren mit denen sie Umweltreize wahrnehmen und darauf reagieren konnten. Die Verbindung zwischen Reizaufnahme und Reaktion wurde über fest verdrahtete Elektronik hergestellt, komplexeres Verhalten war damit nicht zu realisieren. Die ersten Braitenberg-Vehikel können als kybernetische Modelle bezeichnet werden: Sie besitzen typischerweise keine interne Informationsverarbeitung, sondern legen die Eingabereize der Sensoren in geeigneter Weise verstärkt oder gehemmt an die Motoren an und erzeugen dadurch eine scheinbar intelligente Reaktion. Ein weiterer Vertreter der Kybernetik war C. Shannon, der ein Modell einer Maus entwickelte. Diese Maus durchlief ein Labyrinth mittels Trial-and-Error-Methodik und sendete dabei stetig ihre Position an einen Computer. Nach einigen Durchläufen war das komplette Labyrinth als digitale Karte vorhanden, ein Steuerprogramm konnte die Maus ohne Fehler durch das Labyrinth leiten. Der Nachteil dieses Modells war der hohe Speicherbedarf für die gesammelten „Erfahrungen“, die Kapazitäten durften 106Bit nicht überschreiten.

Mit der Entwicklung des Mikroprozessors 1969 wurde eine neue Ära in der Robotik eingeleitet. Die nun einsetzende Beschleunigung im Bereich der Rechenleistung bewirkte, dass man nicht mehr 30 Minuten warten musste, bis der Roboter die Berechnung für einen Schritt ausgeführt hatte. Auch Großrechner zur Steuerung der Modelle waren nicht mehr nötig, der Mikrocontroller konnte direkt auf dem mobilen Roboter verbaut werden. Neue Ansätze für Kontrollarchitekturen (z.B. der verhaltensbasierte Ansatz) konnten aufgrund dieser revolutionären Entwicklung realisiert werden.

2 Einführung

Das folgende Kapitel gibt zunächst einen Überblick über autonome mobile Roboter und die Anforderungen, die an sie gestellt werden. Roboter bilden die hardwareseitige Grundlage um Kontroll-architekturen zu implementieren und autonomes Handeln des Roboters zu ermöglichen.

2.1 Definition autonomer mobiler Roboter (AMR)

Mobile Roboter können auch als autonome physische Agenten bezeichnet werden. Etymologisch betrachtet leitet sich dieser Begriff vom griechischen „autonomos“ (selbstgesetzgebend) und „agens“ (handeln) ab.

Autonome mobile Roboter definieren sich folglich durch ihre Fähigkeit, sich aus eigener Kraft frei fortzubewegen und die zur Bewältigung einer gestellten Aufgabe notwendigen Schritte, auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen, eigenständig herauszufinden und auszuführen.

AMR besitzen Sensoren, mit denen sie die Umgebung in physikalischen Größen erfassen und in elektrische Signale umwandeln können. Ausgehend von diesen Signalen erfolgt eine interne Verarbeitung, die wiederum Signale an Aktoren sendet und somit eine Interaktion mit der Umgebung ermöglicht.

Zur Problemerkennung und Lösung stehen dem AMR nicht nur Sensoren sondern gegebenenfalls auch Erfahrungswerte aus früheren Aufgabenstellungen zur Verfügung, welche eine schnellere und sicherere Reaktion ermöglichen.

Außerhalb des Labors erfolgt der Einsatz von AMR eher begrenzt, doch haben sie vor allem auf den Gebieten Vorteile, die für den Menschen zu gefährlich (z.B. Minensucher) oder auf Grund biologischer Eigenschaften bzw. widriger Umweltbedingungen unerreichbar sind (z.B. Tiefsee).

2.2 Anforderungen an einen AMR

Um von einem Robotersystem mit einem gewissen Grad an Autonomie und Komplexität sprechen zu können, muss es einige Verhaltensspezifikationen erfüllen und grundlegende Konzepte beinhalten:

- Reaktion auf die Umwelt:

Der Roboter sollte auf Umweltveränderungen reagieren können.

- Intelligentes Verhalten:

Kompromisse werden durch grundlegende Verhaltensregeln erstellt, die Reaktion wird durch die Ziele der Hauptaufgabe definiert.

- Modularität:

Das Kontrollsystem sollte in kleinere Module aufgeteilt sein, die separat modelliert und implementiert werden können.

- Flexibilität und Erweiterbarkeit:

Die Architektur des AMR kann sich mit fortschreitender Zeit ändern, Verbesserungen sollten somit einfach und schnell implementierbar sein.

- Aufgabenverwaltung:

Der AMR sollte in der Lage sein, die Konflikte beim Erfüllen mehrer Ziele zu lösen und die Hauptaufgabe (global reasoning) dabei zu berücksichtigen.

- Robustheit:

Der AMR sollte auf unvorhergesehene Probleme (z.B. fehlerhafte Sensorsignale) reagieren können und Lernfähigkeit besitzen.

Auch diese Eigenschaften sind noch recht intuitiv und lassen einigen Interpretationsspielraum. Zusammengenommen ergeben sie jedoch ein anwendbares Kriterium zur Beurteilung von Robotersystemen, insbesondere da diese Eigenschaften nicht absolut, sondern graduell sind, d.h. ein System erfüllt sie jeweils mehr oder weniger. Ebenso müssen nicht alle aufgeführten Kriterien zwingend erfüllt werden. Es gibt noch darüber hinaus noch eine Vielzahl an weiteren Kriterien.

2.3 Problemstellung und Kapitelübersicht

Wenn man sich mit dem Thema der Kontrollarchitekturen mobiler Roboter auseinandersetzt, findet man eine Fülle von verschiedenen Architekturen und Schlagworten. Die Abgrenzung zwischen einzelnen Konzepten ist nicht mehr gegeben, vielmehr verlaufen die Grenzen fließend. Häufig werden hybride Systeme genutzt um die Vorteile verschiedener Architekturen zu vereinigen und die Nachteile, soweit möglich, zu unterbinden.

Ziel dieser Ausarbeitung ist ein Überblick über die differenzierten Architektursysteme mobiler Roboter aber auch die Möglichkeiten ihrer Kombinationen untereinander. Im dritten Kapitel erfolgt zunächst eine kurze Definition der Kontrollarchitektur, anschließend eine Unterteilung der Architekturensysteme in Gegensatzpaare nach Medeiros [Medeiros98], da diese Art der Abgrenzung einen sehr guten Überblick darstellt. Diese Unterteilung wird an in den entsprechenden Abschnitten näher erläutert. Weiterhin werden die Eigenschaften sowie die Vor- und Nachteile der einzelnen Gegensatzpaare beschrieben und am konkreten Beispiel verdeutlicht. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels werden die Kombinationen der Systeme beschrieben und ebenfalls praktische Umsetzungen genannt. Im vierten Kapitel erfolgt eine Zusammenfassung und Auswertung sowie ein kurzer Ausblick auf einige Problemstellungen der Robotik, die heute noch nicht oder nur teilweise gelöst sind.

3 Kontrollarchitekturen

Eine Kontrollarchitektur bildet ein „Framework“ (engl.: Rahmenwerk) zur Steuerung eines Systems, ist selbst aber nicht lauffähig und wird erst durch Implementierungen mit Funktionalität gefüllt. Die Architektur legt den während der Laufzeit unveränderlichen Anteil der Struktur fest und dient der Erleichterung der Implementierung von komplexen Anwendungen. Im Fall der mobilen Roboter muss die Architektur zusätzlich auf spezielle Anforderungen (ungenaue Sensorik, Aktorik, Echtzeitanforderungen) zugeschnitten sein. Die meist modular aufgebaute Gesamtsteuerung legt die semantische Bedeutung und die Kommunikation der einzelnen Module untereinander, sowie deren Beziehung (Hierarchie) zueinander fest. Des Weiteren realisiert sie die Strukturierung und Speicherung eines eventuell vorhandenen inneren Zustands sowie den Zugriff einzelner Module auf diesen Zustand. Der wichtigste Aspekt, der durch die Kontrollarchitektur festgelegt wird, ist die Verhaltenskontrolle. Durch sie werden die Prinzipien zur Steuerung des Verhaltens im Sinne des Einwirkens auf die Umgebung festgelegt.

Die Unterteilung, basierend auf den Vorgaben von Medeiros, strukturiert sich in folgende drei Aspekte:

- Die Art, wie Module untereinander verbunden sind (hierarchisch versus zentralisiert)
- Die Art, wie Module mit der Umgebung kommunizieren (reaktiv versus deliberativ)
- Die Funktion der Module (funktional versus verhaltensbasiert)

Auch Medeiros muss an dieser Stelle eingestehen, dass es nicht möglich ist, alle Kontrollarchitekturen in diese Kategorien einzuordnen, ein Teil davon wird aber im Abschnitt hybride Systeme separat beleuchtet.

Grundlegend kann man den Aufbau von Roboterarchitekturen in drei Klassen einteilen:

a) Monolithische Systeme

Sie besitzen keine explizite Strukturierung, sondern sämtliche Aufgaben werden in einem Modul bearbeitet; findet Verwendung in den in der Einleitung beschriebenen Braitenberg- Vehikeln.

b) Konnektionistische Systeme

Diese Architekturen bestehen aus vielen einfach aufgebauten, gleichartigen Einheiten die durch eine Netzstruktur miteinander verbunden sind. Sie sind im Gegensatz zu modularen Architekturen auf keine bestimmte Aufgabe spezialisiert. Die Funktionalität des Systems ergibt sich dabei nur aus der komplexen Struktur der Verbindungen zwischen den einfachen Einheiten, beispielsweise in neuronalen Netzen.

a) Modulare Systeme

Gliedert die Architektur explizit in einzelne funktionale Komponenten und Bestandteile und verankert deren Abhängigkeiten und Interaktionsmöglichkeiten untereinander (Abbildung 1). Die Struktur ist fest oder variabel, je nachdem ob die Anzahl Komponenten fest vorgegeben oder beliebig ist. Modulare Systeme finden in praktischen Anwendungen sehr oft Verwendung und werden deshalb in den folgenden Kapitel näher beleuchtet.

[...]

Ende der Leseprobe aus 22 Seiten

Details

Titel
Kontrollarchitekturen mobiler Roboter
Hochschule
Universität Bayreuth  (Lehrstuhl Angewandte Informatik III)
Veranstaltung
Seminar Robotik
Note
2.0
Autor
Jahr
2005
Seiten
22
Katalognummer
V170120
ISBN (eBook)
9783640887712
ISBN (Buch)
9783640887958
Dateigröße
626 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Roboter, Architekturen, Behaviour
Arbeit zitieren
M.Sc. Michel Meier (Autor), 2005, Kontrollarchitekturen mobiler Roboter, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/170120

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