Autonome Mobile Systeme 2005

19. Fachgespräch Stuttgart, 8./9. Dezember 2005

Verlag	Springer-Verlag
Erscheinungsjahr	2006
Seitenanzahl	334 Seiten
ISBN	9783540302926
Format	PDF
Kopierschutz	DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	62,99 EUR

Das 19. Fachgespräch Autonome Mobile Systeme (AMS 2005) ist ein Forum, das Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Forschung und Industrie, die auf dem Gebiet der autonomen mobilen Systeme arbeiten, eine Basis für den Gedakenaustausch bietet und wissenschfltiche Diskussionen sowie Kooperationen auf diesem Forschungsgebiet fördert bzw. initiiert. Ausgewählte Beiträge zu den Themen Kooperative Systeme, Bildverarbeitung, Lokalisierung und Kartographierung, Outdoor-Systeme, Fahrerassistenzsysteme, Kognitive Sensordatenverarbeitung, Architekturen und Anwendungen sowie Steuerung und Navigation bilden den Inhalt dieses Bandes.

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Leseprobe

Architektur und Komponenten für ein heterogenes Team kooperierender, autonomer humanoider Roboter (S. 3-4)

Jutta Kiener, Sebastian Petters, Dirk Thomas, Martin Friedmann, Oskar von Stryk

Fachgebiet Simulation und Systemoptimierung, Fachbereich Informatik, Technische Universität Darmstadt,
D-64289 Darmstadt,

E-mail: {kiener,petters,dthomas,friedmann,stryk}@sim.tu-darmstadt.de

Zusammenfassung.

Für ein kooperierendes Team autonomer, humanoider Roboter, das derzeit aus insgesamt vier unterschiedlichen, ca. 37-68 cm großen Robotertypen besteht, werden eine plattformübergreifende, modulare Softwarearchitektur sowie plattformübergreifende und individuelle Module zur Sensordatenverarbeitung, Planung und BewegungsSteuerung entwickelt.Das entwickelte funktionale Framework ermöglicht die Kommunikation der Softwaremodule, d.h. Algorithmen für die unterschiedlichen Aufgaben innerhalb der Architektur untereinander, sowie die Kommunikation per WLAN zwischen verschiedenen Rechnern und Robotern. Als Anwendungsszenario für die Teamkooperation in einer dynamischen und strukturierten Umgebung wird Roboterfußball untersucht. Die entwickelten Methoden wurden im Juli 2005 von den Darmstadt Dribblers beim RoboCup in Osaka bei der Premiere von Teamspielen in der Humanoid Robot League eingesetzt. Daneben werden KooperationsSzenarien von heterogenen Robotersystemen bestehend aus vierbeinigen und humanoiden Robotern untersucht.

1 Einleitung

Motivation und Zielsetzung.
Kooperierende, autonome Mehrrobotersysteme werden derzeit für unterschiedliche Anwendungen, z.B. den kooperativen Transport einer Last durch mehrere fahrende oder fliegende Roboter, die Überwachung und Aufklärung eines Katastrophengebiets oder beim Roboterfußball in einer besonders dynamischen Umgebung untersucht.

Zur effektiven, flexiblen und robusten Entwicklung eines heterogenen Mehrroboterteams werden neben Modulen zur Lösung der grundlegenden Fragen der Sensordatenverarbeitung, Planung und Bewegungssteuerung Softwarearchitekturen sowie ein effizientes Framework benötigt. Anforderungen sind dabei Modularität für die Integration plattformunterschiedlicher oder konkurrierender Module zur Sensor-, insbesondere Kameradatenverarbeitung, Lokalisierung, Bewegungssteuerung, Verhaltenssteuerung sowie Flexibilität zur Anpassung an wechselnde Hardware wie unterschiedliche Prozessoren, Kamerasysteme oder Bewegungsapparate.

Ebenso unterstützt werden muss die Kommunikation zwischen einzelnen Modulen und verschiedenen Robotern und Rechnern in unterschiedlichen Phasen von Entwicklung und der Betrieb der Mehrrobotersysteme unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen laufender, zwei- und vierbeiniger Roboter, die u.a. in der besonderen Schwierigkeit und Vielfalt der Bewegungsmöglichkeiten sowie der Auge-Bein Koordination liegen.

Stand der Forschung.
In den letzten Jahren wurden wesentliche Fortschritte bei humanoiden Robotern erzielt. Dennoch enthält die robuste und schnelle Fortbewegung beim zweibeinigen Laufen sowie die autonome Navigation mit Auge-Bein-Koordination noch viele ungelöste Fragen. Die Herausforderungen beim Fußballspielen mit autonomen humanoiden Robotern liegen unter anderem in der Ausführung möglichst schneller, zielorientierter und situationsabhängiger Bewegungen unter Berücksichtigung von Bewegungsstabilität und Echtzeitanforderungen. Bisherige Ansätze für Roboterarchitekturen für zielorientiert kooperierende Mehrrobotersysteme erfüllen die vorstehend ausgeführten Anforderungen für die hier betrachteten Humanoid-Roboter nur bedingt.

Beispielsweise ist das für rollende Mehrrobotersysteme entwickelte auf CORBA basierende Miro für leistungsfähige Mehrprozessorsysteme optimiert. Auf stromsparenden, leistungsschwächeren Einoder Mehr-prozessorsystemen wie auf den hier betrachteten Humanoid-Robotern bringt die Verwendung von CORBA jedoch einen Effizienzverlust mit sich, da nur wenige Vorteile dieser Middleware ausgenutzt werden können.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort	5
Inhaltsverzeichnis	7
Kooperative Systeme	11
Architektur und Komponenten für ein heterogenes Team kooperierender, autonomer humanoider Roboter	13
1 Einleitung	13
2 Humanoide Roboterplattformen	15
3 Softwarearchitektur	15
4 Module	16
5 Ergebnisse und Ausblick	18
Literaturverzeichnis	20
Dynamic Task Assignment in a Team of Agents	21
1 Introduction	21
2 State of the Art	22
3 Evolution of Preferences to Decisions	22
4 Team Behavior IModeling by Role Assignment	23
5 Experimental Results: Example of a Defense Scenario	24
6 Conclusion and Outlook	27
7 Acknowledgment	27
References	27
Verbesserte Effizienz der Monte-Carlo- Lokalisierung im RoboCup	29
1 Einleitung	29
2 Verbesserte Monte-Carlo-Lokalisierung	29
3 Ergebnisse	31
4 Zusammenfassung	33
Literaturverzeichnis	34
Swarm Embodiment - A New Way for Deriving Emergent Behavior in Artificial Swarms	35
1 Introduction	35
2 Microscopic and macroscopic constraints	36
3 Top-down methodology	37
3.1 Embodied top-down computational approach	38
References	41
Kooperative Multi-Roboter-Wegplanung durch heuristische Prioritätenanpassung	43
1 Einleitung	43
2 Weltmodell	44
3 Lokale Wegplanung	45
5 Konfliktlösung	46
6 Ergebnisse und Ausblick	48
Literaturverzeichnis	49
A Unified Architecture for the Control Software of a Robot Swarm: Design and Investigation Results	51
1 Introduction	51
2 Two layer architecture	52
3 Implemented scenarios	53
4 Investigation results	56
5 Summary and Outlook	57
6 Acknowledgment	57
References	57
Bildverarbeitung	59
Kaiman Filter based Detection of Obstacles and Lane Boundary in Monocular Image Sequences	61
1 Introduction	61
2 Kaiman Filter based 3D from Motion	62
2.1 System Model	63
2.2 Measurement Model	63
2.3 Initialization	63
3 Pitch Correction	64
4 Obstacle and Lane Boundary Detection	65
5 Real World Results	65
6 Conclusion	66
References	67
Komponentenbasierte Bildanalyse zur Identifikation von Objektkategorien	69
1 Einleitung	69
2 Ermittlung der Objektgeometrie	70
3 Beschreibung von Objektkategorien	71
4 Bildanalyse	72
5 Zusammenfassung	74
Literaturverzeichnis	74
Gesichtsanalyse für die intuitive Mensch-Roboter-Interaktion	77
1 Einleitung	77
2 Datenmaterial	77
3 Verfahren zur Gesichtsanalyse	78
3.1 Elastic Graph Matching (EGM)	78
3.2 Independent Component Analysis (ICA)	78
3.3 Active Appearance Model (AAM)	79
4 Ergebnisse	79
4.1 Identifikation	79
4.2 Geschlechtsschätzung	80
5 Praktische Anwendung im Dialogprozess	81
Literaturverzeichnis	82
Klassifizierungsaspekte bei der SD-Szenenexploration mit einer neuen 2D/3D-Multichip-Kamera	85
1 Einleitung	85
2 2D/3D-Kameratechnologie	86
2.1 3D-Kamera	86
2.2 MultiChip 2D/3D-Kamera	88
3 2D-Registrierte 3D-Messung	88
Literaturverzeichnis	90
Segmentation of Independently Moving Objects Using a Maximum-Likelihood Principle	91
1 Introduction	91
2 Related work	92
3 Detecting IlMOs using the EIM-Algorithm	92
3.1 Data representation	93
3.2 EM-Algorithm	93
3.3 Method	94
4 Results	95
5 Conclusion	96
6 Acknowledgements	97
References	97
Region-based Depth Feature Map for Visual Attention in Autonomous Mobile Systems	99
1 Introduction	99
2 Visual Attention for Mobile Robots	100
3 Existing Methods for Depth Computation	101
4 Region Based Depth Map	102
5 Experimental Results	103
6 Discussion	103
References	104
Lokalisierung und Kartographierung	107
Lokalisierung und Kartographierung	107
Bearing-Only SLAM with an Omnicam An Experimental Evaluation for Service Robotics Applications	109
1 Introduction	109
2 Related Work	110
3 Bearing-Only SLAM	110
3.1.1 Feature Initialization	112
3.1.2 Feature Extraction	113
4 Experiments and Results	113
5 Conclusion and Future Work	115
6 Acknowledgement	115
References	115
Automatic Generation of Indoor VR-Models by a Mobile Robot with a Laser Range Finder and a Color Camera	117
1 Introduction	117
2 Data Acquisition	118
3 Line Model	118
4 3D Model	119
5 Results	121
6 Conclusion	122
References	123
Elastic View Graphs: A new Framework for Sequential 3D-SLAM	125
1 Introduction	125
2 State of 3D SLAM and new approach	126
3 Sequential capturing and pose tracking of ränge views	127
4 Loop hypothesizing and closing	128
5 Preliminary experimental results	130
References	131
Selbstständige Erstellung einer abstrakten topologiebasierten Karte für die autonome Exploration	133
1 Einleitung	133
1.1 Kartierungsformen für die Exploration im Indoor-Bereich	133
2 Systemübersicht	134
2.1 Raumerkennung	135
2.2 Raumaktualisierung	135
2.3 Kartenerstellung	137
3 Ergebnisse	137
3.1 Simulationsergebnisse	137
3.2 Der Roboter Marvm	138
4 Zusammenfassung und Ausblick	138
Literaturverzeichnis	139
Integration of a Sound Source Detection into a Probabilistic-based Multimodal Approach for Person Detection and Tracking	141
1 Introduction	141
2 Robot System HOROS	142
3 Generation of User Models	143
4 Integration of Sound Source Detection as a further Hypothesis	143
5 Summary and Conclusions	146
References	147
Using Descriptive Image Features for Global Localization of Mobile Robots	149
1 Introduction	149
2 Integral invariants	150
3 DoG-based point detector	151
4 Using global integral invariants for robot localization	151
5 Extracting local integral invariants	151
6 Experimental results	152
6.1 The database of Images	152
6.2 Global integral invariants	152
6.3 Local integral invariants	153
6.4 Results	153
7 Conclusion	154
8 Acknowledgment	154
References	154
Outdoor-Systeme	157
Extension Approach for the Behaviour-Based Control System of the Outdoor Robot RAVON	159
1 Introduction	159
2 Mobile robot platform RA VON	160
3 Control Software extension exploiting behaviour fusion	160
3.1 Experiments	162
4 Conclusion and outlook	165
References	165
Visual Odometry Using Sparse Bündle Adjustment on an Autonomous Outdoor Vehicle	167
1 Introduction	167
2 Sparse Bündle Adjustment	167
3 Visual Motion Estimation using Sparse Bündle Adjustment	169
4 Experimental Results	170
5 Conclusions and Further Work	172
References	173
Verbesserte GPS-Positionsschätzung mit IP-transportierten Korrekturdaten für autonome Systeme im Outdoor-Bereich	175
1 GPS	175
2 Differential GPS	176
3 NTRIP	176
4 Versuchsaufbau	177
5 Ergebnisse	178
5.1 Unterschiede zwischen den GPS-Geräten	179
5.2 Unterschiede durch die Art der Übertragung	179
5.3 Unterschiede durch verschiedene Referenzquellen	179
6 Ausblick	180
7 Danksagung	180
Literaturverzeichnis	180
Fahrerassistenzsysteme	181
Videobasierte Fahrspurerkennung zur Umfelderfassung bei Straßenfahrzeugen	183
1 Einleitung	183
2 Fahrspurerkennung auf Basis des 4D-Ansatzes	184
2.1 Erweiterte Modellierung der Dynamik	185
2.2 Klassifikation der Spurmarkierung	186
3 Zusammenfassung und Ausblick	188
Literaturverzeichnis	188
Introduction of a Full Redundant Architecture into a Vehicle by Integration of a Virtual Driver	189
1 Introduction	189
2 Modeling a Virtual driver	190
2.1 Architecture of the multiagent System	190
2.2 Definition of tlie tactic agents	191
2.3 Towards a fault-tolerant technology	191
3 Integration of a decision control into the vehicle	192
3.1 Understanding the driver's maneuver	192
4 Fusion of the two commands	193
5 Implications for the roles and interaction between human and Virtual driver	193
6 Conclusion and next research	194
References	195
Systemplattform für videobasierte Fahrerassistenzsysteme	197
1 Einleitung	197
2 Menschliches Vorbild	198
3 Systemplattform	199
3.1 Kameraplattform	199
3.2 Hardwareplattform	199
4 Ergebnisse und Ausblick	202
5 Danksagung	203
Literaturverzeichnis	203
Kognitive Sensordatenverarbeitung	205
Sequential Parameter Estimation for Fault Diagnosis in Mobile Robots Using Particle Filters	207
1 Introduction	207
2 Sequential Estimation of the System State and Model Parameters	208
3 Evaluation of the Estimation Methods in a Fault Diagnosis Scenario	209
4 Conclusions and Further Research	211
References	211
Ermittlung von Linienkorrespondenzen mittels Graph-Matching	213
1 Einleitung	213
2 Graph Aufbau	214
3 Probabilistische Relaxation und lokale Isomorphismen	216
4 Diskussion der Ergebnisse	217
Literaturverzeichnis	219
Information Integration in a Multi-Stage Object Classifier	221
1 Introduction	221
2 Multi-stage Object Classifier	222
3 Evidence Fusion	223
4 Evaluation	224
5 Related Work	226
6 Conclusion	227
7 Acknowledgment	227
References	227
Finding Rooms on Probabilistic Quadtrees	229
1 Introduction	229
2 Probabilistic Quadtrees	230
3 Finding Regions on PQTs	230
4 Region Finding Method	231
5 Experimental Evaluation	233
6 Conclusions	235
References	235
Active Autonomous Object Modeling for Recognition and Manipulation	237
1 Introduction	237
2 Related Research	237
3 Unified Object Model and Learning Cycle	238
4 Implementations and Results	239
4.1 Learning a Geometric Model for Grasping	239
4.2 Learning an Appearance Model for Invariant Object Detection	241
5 Summary and Conclusions	242
6 Acknowledgements	243
References	243
Architekturen und Anwendungen	245
Die Softwarearchitektur eines Laufroboters für RoboCup Rescue AIMEE	247
1 Einleitung	247
2 Software-Architektur	248
3 Zentrale Mustergeneratoren	249
4 Reflexe	251
5 Fazit	252
Literaturverzeichnis	253
Flexible Combination of Vision, Control and Drive in Autonomous Mobile Robots	255
1 Introduction	255
1.1 Overview of the Architecture	255
2 Software Architecture	257
2.1 Software Modularity	257
2.2 The Vision Unit	258
2.3 The World Model	258
2.4 The Central Control Unit	258
3 Hardware Architecture	260
3.1 Vision Unit	260
3.2 Central Control Unit	260
3.3 Drive	260
3.4 Actuators	260
4 Conclusion	260
References	261
Zentrale Aufgaben Verteilung in einem fahrerlosen Transportsystem	263
1 Einleitung	263
2 Aufgaben eines zentralen Leitstands	264
3 Repräsentation der Anlagendefinition	265
4 Auftragsvergabe	266
4.1 Anforderungen	266
4.2 Das Verfahren Magycs (multi-attributed, global, d^namic, supplanting)	267
5 Evaluierung des Verfahrens	267
5.1 Bewertungsfunktion	268
5.2 Experimente	268
6 Zusammenfassung	268
Literaturverzeichnis	269
Autonom navigierende Fahrerlose Transportsysteme in der Produktion	271
1 Einleitung	271
2 Neues Konzept für Fahrerlose Transportfahrzeuge	272
3 Mechanischer Aufbau	272
4 Konzeption eines verteilten Steuerungsansatzes	273
4.1 Kartographie, Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung	273
4.2 Bahnplanung	274
4.3 Agentenmechanismen	276
5 Zusammenfassung	276
Literatur	277
Sensorgestützte Bewegungssynchronisation von Operationsinstrumenten am schlagenden Herzen	279
1 Einleitung	279
2 Problemformulierung	280
3 Herzoberflächenmodell	281
3.1 Herleitung der System-, Mess- und Rekonstruktionsgleichung	282
3.2 Simulationsergebnisse	283
3.3 Ermittlung von 3D-Messungen der Herzoberfläche	284
4 Zusammenfassung und Ausblick	285
Literaturverzeichnis	285
Steuerung und Navigation	287
Robot Guidance Navigation with Stereo-Vision and a Limited Field of View	289
1 Introduction	289
2 Our approach	290
2.1 Image warping	290
2.2 Image matching	291
3 Experiments	292
4 Conclusion and future work	295
References	295
Einfaches Steuerungskonzept für mobile Roboter in dynamischen unstrukturierten Umgebungen	297
1 Einleitung	297
2 Definition der Einsatzumgebung	297
3 Die Steuerungsarchitektur	298
3.1 Der Pilot	298
3.2 Der Navigator	299
3.3 Der Pfadfinder	300
4 Sensorinformationen	300
5 Evaluierung	301
Literaturverzeichnis	303
Graphbasierte Bewegungsanalyse dynamischer Hindernisse zur Steuerung mobiler Roboter	305
1 Einführung	305
2 Systemübersicht	306
3 Sensorik	307
4 Graphbasiertes Lernen und Vorhersagen dynamischer Bewegungen	307
4.1 Das Modell	307
4.2 Lernen der Übergangswahrscheinlichkeiten	309
4.3 Vorhersage von Hindernisbewegungen	309
4.4 Initialisierung der Topologie mit dem Voronoigraphen	310
5 Ergebnisse und Ausblick	311
Literaturverzeichnis	311
Mobile Robot Motion using Neural Networks: An Overview	313
1 Introduction	313
2 Control of a Nonholonomic Robot with ESN	314
2.1 Background	314
2.2 Motion control using ESN	315
3 Control of a Holonomic Robot with ESN	316
3.1 Control Design	316
4 Conclusion	319
References	319
Combining Learning and Programming for High-Performance Robot Controllers	320
1 Introduction	320
2 Learning Mechanisms	322
3 Progress and Further Work	322
4 Conclusion	323
References	323
Automatic Neural Robot Controller Design using Evolutionary Acquisition of Neural Topologies	325
1 Evolutionary Acquisition of Neural Topologies	325
2 Evolving Neural Controller for Navigation	329
3 Conclusion	330
4 Acknowledgment	330
References	331
KAWA'I krabbelt! Entwurf, Aufbau und Steuerungsarchitektur des Colani-Babys	333
1 Die Aufgabe	333
2 Systementwurf	334
2.1 Spezifikation	334
2.2 Arcliitektur und Schnittstellen	334
3 Umsetzung	335
3.1 Hardware	335
3.2 Software und Algorithmik	335
3.2.1 Servo-Timing	335
3.2.2 Adaptierter Bresenham-Algorithmus zur Bewegungssteuerung	336
3.3 Das Software-Framework MCA	337
4 Ergebnisse und Ausblick	338
Literatur	339
Autorenverzeichnis	341