Autonome Mobile Systeme 2005 (eBook)

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

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.