Architektur für Multi-Roboter Kooperation · PDF fileStefan Merten Architektur für...

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  • Steuerungsarchitektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Referent: Stefan Merten

    31.01.2005

    ALLIANCE: An Architecture for Fault Tolerant Multi-Robot CooperationLynne E. Parker

  • 2Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    bersicht

    Architekturen zur Kooperation

    ALLIANCE

    Erweiterungen zu ALLIANCE

  • 3Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Kooperation - Vorteile

    Viele einfache Roboter gnstiger als ein sehr komplexer

    Aufgabenbereich zu komplex fr einen Roboter alleine

    Hhere Stabilitt durch Parallelitt und Redundanzen

    Bearbeitung verschiedener Teilaufgaben zur gleichen Zeit an unterschiedlichen Orten

  • 4Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Kooperation - Nachteile

    Schwierige Modellierung: Wie werden Aufgaben verteilt bzw. formuliert? Wie bekommt ein Roboter eine Aufgabe? Wie interagieren und kommunizieren die

    Roboter? Wie werden Konflikte erkannt und behoben?

    Hauptprobleme: Fehlertoleranz und Anpassungsfhigkeit

  • 5Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Ziel

  • 6Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Architekturtypen (1)

    Swarm-type (Ausschwrmen) Vielzahl homogener Roboter Zeitunkritische Aufgaben Jeder Roboter hat gleiche Fhigkeiten Umwelt ist groes Areal

  • 7Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Architekturtypen (2)

    Intentional-type (Absicht) Geringe Anzahl heterogener Roboter Zweck- und effizienzorientierte

    Kooperation Kontrollierte Aufgabenverteilung (zentral

    und dezentral)

  • 8Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    ALLIANCE

    Problem bisheriger Anstze: dynamische und fehleranfllige Welt

    Lsungsansatz: Aufgabenorientierte Missionsbearbeitung

    in verhaltensgesteuertem System Autonome Entscheidung ber Aufgaben Unabhngige Bearbeitung von Aufgaben

  • 9Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    ALLIANCE - Architektur

    High-Level

    Low-Level

  • 10Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    ALLIANCE Anforderungen

    Erkennung des eigenen Fortschritts

    Wahrnehmung der Aktivitt anderer Roboter

    Kein Gegnerbewusstsein (kein Lgen)

    Abhngigkeiten von Teilaufgaben mssen vorgegeben sein

  • 11Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    ALLIANCE Annahmen

    Kommunikation ist nicht garantiert

    Fehlerbehaftete Sensoren und Manipulatoren

    Teilsysteme eines Roboters knnenausfallen

    Keine zentrale Speicherung aller Weltinformationen

  • 12Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Modellierung der Welt

    Mission: M Teilaufgaben: { t1, t2, , tm } Roboter: { r1, r2, , rn } Verhaltensfolgen von ri: { ai1, , aip } Zuordnungsfunktion: tx = hi(aij)

  • 13Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Modell - Umsetzung

    Unterschiedliche Bearbeitung von Teilaufgaben mglich je nach Roboter

    Stndige Benachrichtigung des Teams ber bearbeitete Aufgabe

    Mehrere Roboter knnen gleichzeitig an einer Aufgabe arbeiten

  • 14Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Motivation fr Verhaltensfolgen

    Motivation: mij(0) = 0 mij(t) =

    [ mij(t-1) + impatienceij(t) ] activity_suppressionij(t)sensory_feedbackij(t)impatience_resetij(t)acquiescenceij(t)

    Motivations-schwellwert:

  • 15Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Motivation mij(t)

    mij(t) =[ mij(t-1) + impatienceij(t) ] activity_suppressionij(t)sensory_feedbackij(t)impatience_resetij(t)acquiescenceij(t)

  • 16Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Impatienceij(t) - Ungeduld

    Rate, mit der die Motivation zunimmt Speicherung jeder empfangenen Nachricht mit

    Zeitstempel impatienceij(t)

    =

    _slowij(k, t), falls rk Aufgabe hi(aij) bearbeitetund noch nicht ausgefallen ist oderfalls rk nicht zu lange daran arbeitet

    _fastij(t), wenn kein Roboter zum Zeitpunkt tdie Aufgabe hi(aij) bearbeitet

  • 17Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Motivation mij(t)

    mij(t) =[ mij(t-1) + impatienceij(t) ] activity_suppressionij(t)sensory_feedbackij(t)impatience_resetij(t)acquiescenceij(t)

  • 18Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Activity_suppressionij(t)

    Nur eine Aufgabe gleichzeitig bearbeitbar

    activity_suppressionij(t)

    =

    1 , falls aij die Verhaltensfolge ist, die gerade aktivist

    0 , falls eine Verhaltensfolge aik (k ? j) geradeaktiv ist

  • 19Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Motivation mij(t)

    mij(t) =[ mij(t-1) + impatienceij(t) ] activity_suppressionij(t)sensory_feedbackij(t)impatience_resetij(t)acquiescenceij(t)

  • 20Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Sensory_feedbackij(t)

    Sensoren melden, dass Aufgabe verfgbar

    sensory_feedbackij(t)

    =

    1 , falls Sensoren zeigen, dass Aufgabe hi(aij)bearbeitbar ist

    0 , sonst

  • 21Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Motivation mij(t)

    mij(t) =[ mij(t-1) + impatienceij(t) ] activity_suppressionij(t)sensory_feedbackij(t)impatience_resetij(t)acquiescenceij(t)

  • 22Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Impatience_resetij(t)

    Motivation zurcksetzen, wenn Teammitglied Aufgabe bernommen hat

    impatience_resetij(t)

    =

    1 , normalerweise

    0 , falls anderer Roboter zum ersten Mal Nachrichtschickt, dass er Aufgabe hi(aij) bearbeitet

  • 23Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Motivation mij(t)

    mij(t) =[ mij(t-1) + impatienceij(t) ] activity_suppressionij(t)sensory_feedbackij(t)impatience_resetij(t)acquiescenceij(t)

  • 24Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Acquiescenceij(t)

    Der Roboter gibt von alleine auf acquiescenceij(t)

    = 0 , falls zu lange an Aufgabe gearbeitet oder falls lang genug an Aufgabe gearbeitet undein anderer Roboter hilft bereits

    1 , normalerweise

  • 25Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Motivation mij(t)

    mij(t) =[ mij(t-1) + impatienceij(t) ] activity_suppressionij(t)sensory_feedbackij(t)impatience_resetij(t)acquiescenceij(t)

    Speicherung von Nachrichten, Parametern (, i, ij(k), ij, ij) und aktuellem Zustand mij

  • 26Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Experimente Die Beteiligten

    Drei R-2 Robotern 8 Infrarot-Abstandssensoren Sensoren zur Kollisionserkennung Radio-Kommunikationssystem Positionierungssystem ber zwei externe

    Sonarstationen Greifer

    Immer nur ein Roboterbearbeitet eine Auf-gabe gleichzeitig

  • 27Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Experimente Die Aufgabe

    Mission: Mllbeseitigung Lokalisierung Beseitigung (Haufen links/rechts) Regelmiger Bericht

  • 28Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Ungestrter Ablauf

  • 29Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Gestrter Ablauf (1)

    Ausfall eines Roboters bei Lokalisierung

  • 30Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Gestrter Ablauf (2)

    Entfernen eines Roboters

  • 31Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Einstellung der Parameter

    Alle Parameter manuell setzen Automatisches Anpassen der Parameter

    Bearbeitungszeiten mitspeichern Ergebnisse auswerten Parameter anpassen

    L-ALLIANCE

  • 32Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    L-ALLIANCE Architektur

  • 33Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Parameter Berechnung

    Optimierungsvorgehen Durchschnittlich Bearbeitungszeit

    ij(t), ij(k, t) Motivationsschwellwert optimal erreichen

    _slowij(k, t) Bevorzugung kleine Aufgaben mit schlechter

    oder groe Aufgaben mit gute Qualifikation _fastij(t)

    Globale Parameter wie , bleiben unverndert

  • 34Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Ergebnis

    Mission wird zuverlssig erfllt Unerwartete Ereignisse werden

    kompensiert Kein Vorwissen ber Teammitglieder

    ntig

    Nur unabhngige Teilaufgaben Keine Teilziele definierbar

  • 35Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Ziel

    Noch weniger Vorgaben ber Umwelt und Mission

    Verbesserung der Wahrnehmung der anderen Roboter ber Sensoren

  • 36Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Quellen Lynne E. Parker. ALLIANCE: An Architecture

    for Fault Tolerant Multi-Robot Cooperation. In IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 14, No 2, April 1998

    Brain P. Gerkey and Maja J Mataric. A formal analysis and taxonomy of task allocation in multi-robot systems. In Intl. J. Of Robotics Research 23(9), p. 030-954, September 2004

    A. Farinelli et al. Multirobot Systems: A Classification Focused on Coordination. In IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics-Part B, Vol. 34, No.5, Oktober 2004

  • 37Stefan Merten Architektur fr Multi-Roboter Kooperation

    Ende

    Fragen und gefragt werden

    ???

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