Ein Beitrag zur Entwicklung von Strategien zur koordinierten Steuerung autonomer mobiler Multirobotersysteme

Altenburg, Uwe GND

Ein Beitrag zur Entwicklung von Strategien zur koordinierten Steuerung autonomer mobiler Multirobotersysteme Abstract The coordinated motion control of multirobot systems is a multilayered and complex type of problem, for which a lot of different solutions are described in scientific publications. Collision avoidance problems as well as resolution of deadlock situations at intersections are very often described. In the paper, presented here, a dedicated strategy is suggested, which allowes to control a group of robots in a way that enables them to keep a formation as long as possible but also to avoid possible collisions with obstacles. This strategy includes the modelling, the mission as well as the behavior planning. Basically a hybrid control architecture is used, which is composed of a global map based path planning and a local behavior based reactive execution. The planning occures offline prior to the execution and results in an optimal path for a given formation (mission planning). In a following step the path is then extended to suggest suitable steering behaviors to each robot (behavior planning). The activation of that steering bahaviors occures local according to preset synchronisation points along the path. A hierarchical structure is applied to the robot group to propagate synchronization informations. Based on a suitable modell for such a multi robot system a concrete implementation of the strategy in all steps is presented. Beginning with an image analysing process to create a grid map for unstructured environment an adaptive route planning algorithm for the hole formation based on that grid is introduced. The so planned route is then analysed to determine the most suitable behavior for each robot according to its specific obstacle situation. From the limitations of this concrete implementation a alternative variant is derived, which integrates the mission- and the behavior planning. Finally an experimental platform is described which was developed during the time of this work and that appears to be suitable for experiments with small multirobot systems. The hardware is documented while the control software is described in detail. A simulation environment is also part of this experimental platform. Due to its higher abstraction it allowes easier variation of test cases. In this context a solution for image based position detection of small robots is presented. In opposition to common color based algorithms the presented solution is based on edge detection. Colors are only used for robot identification as well as obstacle recognition. At the end an application of image processing as part of the local sensoric is briefly discussed.

Die koordinierte Bewegungssteuerung von Multirobotersystemen ist eine vielschichtige und komplexe Aufgabe, für die in der Literatur unterschiedliche Lösungsansätze beschrieben sind. Oft steht dabei die Kollisionsvermeidung oder Auflösung von Konfliktsituationen an Kreuzungspunkten im Vordergrund. In der vorliegenden Arbeit wird insbesondere eine Strategie vorgestellt, mit der es möglich ist, eine Gruppe von Robotern so zu steuern, dass diese sowohl eine Formation weitestgehend beibehalten als auch mögliche Kollisionen mit Hindernissen vermeiden. Die Strategie umfasst im Wesentlichen die Modellbildung sowie die Missions- und die Verhaltensplanung. Grundlage bildet dabei eine hybride Steuerungsarchitektur, die sich aus einer globalen kartenbasierten Planung und einer lokalen reaktiven Ausführung zusammensetzt. Die Planung erfolgt offline und liefert im Ergebnis eine optimale Route für eine vorgegebene Formation (Missionsplanung). Die Route wird dahingehend erweitert, dass einzelnen Robotern günstige Steuerverhalten vorgeschlagen werden (Verhaltensplanung). Die Aktivierung dieser Steuerverhalten erfolgt dann lokal an zuvor festgelegten Synchronisationspunkten entlang der geplanten Route unter Ausnutzung einer hierarchischen Struktur innerhalb der Gruppe. Ausgehend von einer geeigneten Modellierung eines solchen Multirobotersystems wird eine konkrete Implementierung dieser Planungsstrategie in allen Schritten vorgestellt. Beginnend mit einer Bildanalyse zur Erstellung einer Karte wird darauf aufbauend ein adaptives Routenplanungsverfahren für die gesamte Formation vorgestellt. Die geplante Route wird im Nachgang analysiert, um der jeweiligen Hindernissituation entsprechend günstige Verhalten für die einzelnen Roboter zu bestimmen. Anhand der Grenzen dieser konkreten Implementierung wird eine alternative Variante abgeleitet, die die Missions- und die Verhaltenplanung integriert. Schließlich wird eine Experimentalplattform mit Kleinstrobotern beschrieben, die im Verlauf der Arbeit entstanden ist und für Versuche mit Multirobotersystemen geeignet erscheint. Es wird die hardwarseitige Umsetzung dokumentiert und vor allem die dazu geschaffene Steuersoftware erläutert, zu der auch eine Simulationsumgebung gehört. In diesem Zusammenhang wird detailliert auf eine Lösung der globalen kameragestützten Positionsbestimmung für kleine Roboter eingegangen. Dabei wird ein Verfahren vorgeschlagen, das im Gegensatz zur üblichen Farberkennung auf der Basis von Binärbildern arbeitet und Farbinformationen lediglich zur Unterscheidung der Roboter sowie zur Erkennung der Hindernisse nutzt. Die Anwendung von Kamerabildern als Ergänzung der lokalen Sensorik eines Roboters wird schließlich kurz angeschnitten.

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Altenburg, Uwe: Ein Beitrag zur Entwicklung von Strategien zur koordinierten Steuerung autonomer mobiler Multirobotersysteme. 2004.

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