Einführung in die Robotik Steuerungsarchitekturen · Dr. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm) Steuerungsarchitekturen WS 12/13 §1.A robot may not injure

Dr. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm) Steuerungsarchitekturen WS 12/13

Einführung in die Robotik

Steuerungsarchitekturen

29. 01. 2013

Mohamed OubbatiInstitut für Neuroinformatik

Tel.: (+49) 731 / 50 [email protected]


- Deliberative Architektur- Reaktive Architektur- Hybride Architectur

Steuerungsarchitekturen


Deliberative Architektur


Deliberative ArchitekturDeliberative Architektur

Die deliberative Architektur ist die älteste Steuerungsarchtiktur für mobile Roboter. Dabei werden die Einheiten des Roboters hierarchisch angeordnet:

Sense-Plan-Act

1. Sensordaten sammeln2. Daten verarbeiten → Plan erstellen3. Aktion durchführen

Sensoren Plan Aktoren


Sensoren

Sen

sord

aten

erfa

ssen

Wel

tmod

el

Pla

n

Aus

führ

en

Mot

orst

euer

ung

Aktoren

Sense-Plan-Act

2. Aus dem Weltmodell können jederzeit wieder Informationenabgerufen werden.

3. “plan” ist dafür zuständig, Lösungenfür die Aufgaben zu finden. Er ist von der Qualität des Weltmodells total abhängig.4. Der fertige Plan wird danach zur Ausführung in der Hierarchie nach unten geleitet.

1. Aus den Sensordaten wird ein Weltmodell erstellt.



Shakey (1966-1972, Stanford Research Institute USA)

Erste Implementierung in 60er auf dem Roboter Shakey


Sense-Plan-Act


• Alle Module sind voneinander abhängig (wenn ein Module ausfällt, das gesamte System fällt aus).

• Veränderungen der Umgebungerfordern Anpassung des Weltmodells.

benötigt Suche (Search) → langsam

Auf der Grundlage des Weltmodells können optimale Lösungen gefunden werden



Reactive Architektur


Principle:

• Decompose the problem into many “simple” behaviors!

• Many simple behaviors can work together to appear complex.

Reaktive Architektur

Behavior

SENSE ACTSENSE-ACT coupling is called

behavior

Behavior: Mapping von Sensoren-Eingaben zu Motoren-Aktionen, die zur Ausführung einer Aufgabe führen.


Das Ziel der Subsumption Architektur besteht darin verschiedene Verhalten (Behaviors) parallel auszuführen.

Erster Ansatz: Subsumption Architecture (Rodney Brooks, MIT1986)


Behavior 4

SENSE ACTBehavior 3

SENSE ACTBehavior 2

SENSE ACTBehavior 1

SENSE ACT


Subsumption ArchitectureReaktive Architektur

Sensoren

Behavior 1

Aktoren

Behavior 2

Behavior 3

Behavior 4

Behavior 5

PLAN


How to manage behaviors?

Sensoren Aktoren

Behavior 1

Behavior 3

Behavior 2

Behavior 4

Behavior 5

Reaktive ArchitekturSubsumption Architecture


Use a Koordinator!

Sensoren Aktoren

Behavior 1

Behavior 3

Behavior 2

Behavior 4

Behavior 5

Koo

rdin

ator

Wie funktioniert er?


How to manage behaviors?


Was macht ein Koordinator?

• Establish conditions when each behavior should act.

• Establish priorities in case two behaviors want to act simultaneously.

• Define points of suppression to stop a behavior if another would take over.



Behavior 1

Behavior 3

Behavior 2

Behavior 4

Behavior 5

Sensoren

Action

Prioritäten Können auch variable sein

points of suppression


Was macht ein Koordinator?


• 6-beiniger Roboter• Dezentrale Steuerung• Aus den einzelnen Reaktionen setzt sich die Fortbewegung zusammen

Erste Implementierung auf dem Roboter GenghisMIT AI Lab (Rodney Brooks), Ende der ´80er

Genghis



Beispiel 1

Wall following

Ein mobiler Roboter soll an der Wand entlang fahren.

Wall following

Turn corner

robot

Sensoren Motoren

Behaviors:

1. Wall-following.

2. Turn corner.

Lösung

: Behavior Wechsel

Reaktive Architektur Subsumption Architecture

Wall-following

Turn corner


Der Roboter soll zum Beispiel folgendes können:• Überall fahren.• bei einer Kollision flüchten. • bei leerer Batterie zur Ladestation fahren.

Als Ausstattung :• Radencoder.• 1 Infrarotsensor um die Ladestation zu finden.• 1 Bumper.• 1 Batterie-Sensor.

Beispiel 2: Staubsauger-Roboter

Eine Lösung: z.B. die Behaviors sind: • Überall fahren.

• Dock.

• Escape.

Reaktive Architektur Subsumption Architecture


odometrieÜberall fahren Motorregelung

Der Roboter soll alle mögliche Positionen im Raum anfahren.

Staubsauger-RoboterReaktive Architektur



DockBatterie-Sensor

IR-Sensor

Das Behavior Dock dient dem Zweck den Roboter zu der Ladestation zu fahren, wenn die Batterien fast leer sind.




DockBatterie-Sensor

IR-Sensor

BumperEscape


Wird eine Kollision festgestellt, reagiert das Verhalten Escape wie folgendes: Stop, etwas Rückwärtsfahren, und dann 90 Grad umdrehen.


• kein Weltmodell ist notwendig.

• Reaktivität (Geschwindichkeit, Echtzeit-fähig).

• Einfacher Entwurf und Implementierung,da jede Ebene für sich betrachtet werden kann.

• Robust: die Ebenen sind voneinander unabhängig.

• inkrementelles Design.

• Pläne und Optimierungen sind schwer zu implementieren.



HybrideArchitektur


Reaktive Architecture wird z.B für die lokaleHindernissevermeidung eingesetzt. Soll der Roboter zusätzlich ein langfristiges Ziel verfolgen, kommt die deliberative Planung ins Spiel.

„best of the both“

Hybride Architektur


Sensoren Aktoren

Behavior 1

Behavior 2

Deliberative Komponent

Behavior 3

Behavior 4

Koo

rdin

ator

Möglichkeit 1: die deliberativen Komponenten werden wie ein Verhalten integriert, indem sie am Koordinationsprozess auch teilnehmen.

Hybride Architektur

Wie kombiniert man reaktive und deliberative Architekturen?


Sensoren Aktoren

Behavior 1

Behavior 3

Deliberative Komponent

Behavior 4

Behavior 5

Koo

rdin

ator

Möglichkeit 2: die deliberativen Komponenten werden als „Plan-geber“ betrachtet. Ein Plan wird z.B. als Sequenz von Präferenzen für bestimmte Behaviors.

Behavior 2

Aktivierung

Aktivierung

Aktivierung

Hybride Architektur

Wie kombiniert man reaktive und deliberative Architekturen?


• Durch die reaktive Handlungsweise reagiert der Roboter schnell,kann aber auch längerfristige Ziele verfolgen.

Wie alle Hybrid-Lösungen kann es leicht zu Konflikten kommen,z.B. dass Nachteile beider Lösungen sich vereinen.

Hybride Architektur


§ 1. A robot may not injure a human being, or, through inaction, allow a human being to come to harm.

§ 2. A robot must obey orders given it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law.

§ 3. A robot must protect its own existence as long as such protection doesnot conflict with § 1 or § 2.

Ethics

Asimov’s Laws of Robotics (1942)

Ein wichtiger Aspekt in der Robotik ist die Sicherheit für die Menschen.


Danke für die Zusammenarbeit

und viel Erfolg bei der Klausur

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