Architektur für Multi-Roboter Kooperation · Stefan Merten Architektur für Multi-Roboter...

Steuerungsarchitektur für Multi-Roboter Kooperation

Referent: Stefan Merten

31.01.2005

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

2Stefan Merten Architektur für Multi-Roboter Kooperation

Übersicht

§ Architekturen zur Kooperation

§ ALLIANCE

§ Erweiterungen zu ALLIANCE


Kooperation - Vorteile

§ Viele einfache Roboter günstiger als ein sehr komplexer

§ Aufgabenbereich zu komplex für einen Roboter alleine

§ Höhere Stabilität durch Parallelität und Redundanzen

§ Bearbeitung verschiedener Teilaufgaben zur gleichen Zeit an unterschiedlichen Orten


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 Anpassungsfähigkeit


Ziel


Architekturtypen (1)

§ Swarm-type (Ausschwärmen)• Vielzahl homogener Roboter• Zeitunkritische Aufgaben • Jeder Roboter hat gleiche Fähigkeiten• Umwelt ist großes Areal


Architekturtypen (2)

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

Kooperation• Kontrollierte Aufgabenverteilung (zentral

und dezentral)


ALLIANCE

§ Problem bisheriger Ansätze: dynamische und fehleranfällige Welt

§ Lösungsansatz:• Aufgabenorientierte Missionsbearbeitung

in verhaltensgesteuertem System• Autonome Entscheidung über Aufgaben• Unabhängige Bearbeitung von Aufgaben


ALLIANCE - Architektur

High-Levelà

Low-Levelà


ALLIANCE – Anforderungen

§ Erkennung des eigenen Fortschritts

§ Wahrnehmung der Aktivität anderer Roboter

§ Kein Gegnerbewusstsein (kein Lügen)

§ Abhängigkeiten von Teilaufgaben müssen vorgegeben sein


ALLIANCE – Annahmen

§ Kommunikation ist nicht garantiert

§ Fehlerbehaftete Sensoren und Manipulatoren

§ Teilsysteme eines Roboters könnenausfallen

§ Keine zentrale Speicherung aller Weltinformationen


Modellierung der Welt

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


Modell - Umsetzung

§ Unterschiedliche Bearbeitung von Teilaufgaben möglich je nach Roboter

§ Ständige Benachrichtigung des Teams über bearbeitete Aufgabe

§ Mehrere Roboter können gleichzeitig an einer Aufgabe arbeiten


Motivation für 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: θ


Motivation mij(t)

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


Impatienceij(t) - Ungeduld

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

Zeitstempel§ impatienceij(t)

=

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

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


Motivation mij(t)



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


Motivation mij(t)



Sensory_feedbackij(t)

§ Sensoren melden, dass Aufgabe verfügbar

§ sensory_feedbackij(t)

=

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

0 , sonst


Motivation mij(t)



Impatience_resetij(t)

§ Motivation zurücksetzen, wenn Teammitglied Aufgabe übernommen hat

§ impatience_resetij(t)

=

1 , normalerweise

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


Motivation mij(t)



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


Motivation mij(t)


§ Speicherung von Nachrichten, Parametern (θ, τi, φij(k), λij, ψij) und aktuellem Zustand mij


Experimente – Die Beteiligten

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

Sonarstationen• Greifer

§ Immer nur ein Roboterbearbeitet eine Auf-gabe gleichzeitig


Experimente – Die Aufgabe

§ Mission: Müllbeseitigung• Lokalisierung• Beseitigung (Haufen links/rechts)• Regelmäßiger Bericht


Ungestörter Ablauf


Gestörter Ablauf (1)

§ Ausfall eines Roboters bei Lokalisierung


Gestörter Ablauf (2)

§ Entfernen eines Roboters


Einstellung der Parameter

§ Alle Parameter manuell setzen§ Automatisches Anpassen der Parameter

• Bearbeitungszeiten mitspeichern• Ergebnisse auswerten• Parameter anpassen

à L-ALLIANCE


L-ALLIANCE Architektur


Parameter Berechnung

§ Optimierungsvorgehen• Durchschnittlich Bearbeitungszeit

à ψij(t), φij(k, t)• Motivationsschwellwert optimal erreichen

à δ_slowij(k, t)• Bevorzugung kleine Aufgaben mit schlechter

oder große Aufgaben mit gute Qualifikation à δ_fastij(t)

§ Globale Parameter wie θ, τ bleiben unverändert


Ergebnis

§ Mission wird zuverlässig erfüllt§ Unerwartete Ereignisse werden

kompensiert§ Kein Vorwissen über Teammitglieder

nötig

§ Nur unabhängige Teilaufgaben§ Keine Teilziele definierbar


Ziel

§ Noch weniger Vorgaben über Umwelt und Mission

§ Verbesserung der Wahrnehmung der anderen Roboter über Sensoren


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


Ende

§ Fragen und gefragt werden…

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