10. Dezember 2018

Autonome Roboter in der Luft überwachen mobile Roboter am Boden

Forschungsartikel des Netcetera-Experten Nithin Mathews

Selbst-montierende Roboter haben das Potenzial, sich einer autonomen morphologischen Anpassung zu unterziehen. Aufgrund der Einfachheit ihres Hardware-Aufbaus und ihrer begrenzten Perspektive auf die Umgebung sind sie jedoch oft nicht in der Lage, ihr volles Potenzial auszuschöpfen. Ohne externe Hinweise oder Vorinformationen sind sie möglicherweise nicht in der Lage, ihre kollektiven Roboterstrukturen (Morphologien) an Aufgaben und Umgebungen anzupassen. Unser Kollege Nithin Mathews hat zusammen mit anderen Forschern einen Forschungsartikel in der Zeitschrift «Robotics and Autonomous Systems» veröffentlicht. Sie stellen eine neuartige Kontrollmethodik namens «supervised morphogenesis» für die Kontrolle heterogener Robotergruppen vor, die sowohl bodengebundene als auch luftgestützte Roboter umfassen. Diese Steuerungsmethode ermöglicht es fliegenden Robotern, ihre erhöhte Position und ein besseres Bild der Umgebung zu nutzen, um die Formation von selbst-montierenden Robotern am Boden zu initiieren und zu kontrollieren (und damit zu überwachen). Das heißt, Luftroboter verwenden Input von Onboard-Kameras und anderen speziellen Sensoren, um zwei- oder dreidimensionale Modelle der Umgebung zu erstellen. Diese Modelle werden dann verwendet, um On-Board-Simulationen durchzuführen, die die am besten geeigneten aufgabenabhängigen (d.h. zielorientierten) Morphologien bestimmen, die am Boden gebildet werden sollen.

Im Forschungsartikel «Supervised morphogenesis: Exploiting morphological flexibility of self-assembly multirobot systems through cooperation with aerial robots» präsentieren Nithin und seine Kollegen aus mehreren Forschungslabors und dem Fraunhofer-Institut Ergebnisse von zwei Fallstudien mit zwei verschiedenen autonomen luftgestützten Plattformen und bis zu sechs selbst-montierende autonome Roboter. Die Forschung ist ein wichtiger Schritt, um das wahre Potenzial von selbst-montierenden Robotern zu erkennen, indem sie eine autonome morphologische Anpassung an unbekannte Aufgaben und Umgebungen ermöglicht.

Bestehende selbst-montierende Roboter sind oft von menschlichen Betreibern vorprogrammiert, die den Umfang und die Form der Zielmorphologien, die vor dem Einsatz gebildet werden sollen, genau definieren. Alternativ verlassen sich Roboter auf spezifische, umgebungsbedingte Hinweise, um Zielmorphologien abzuleiten. Dies liegt vor allem daran, dass selbst-montierende Roboter in der Regel relativ einfache Robotereinheiten sind. Es fehlt ihnen der sensorische Apparat, um die Umgebung mit ausreichender Genauigkeit zu charakterisieren, um eine geeignete Zielmorphologie für eine bestimmte Situation zu finden.

Beispielhafte Morphologien, die von bodengebundenen selbst-montierenden Robotern gebildet werden können.
Die Flugroboter, die zur Überwachung eingesetzt werden: Die kommerziell erhältliche AR.Drone (links) und der Augenboter (rechts), die vom EPFL-Labor für intelligente Systeme entwickelt wurden.

Die überwachte Morphogenese ist ein neuartiger Ansatz, der es fliegenden Robotern ermöglicht, bodengebundene, selbst-montierende Roboter zu unterstützen. Die Flugroboter haben Entscheidungskompetenz und erweitern die Funktionalität einer Gruppe von selbst-montierenden Robotern. Das heißt, selbst-montierende Roboter verlassen sich darauf, dass der Flugroboter als "Auge am Himmel" fungiert und die nötige Orientierung bietet, um neue, auf die Aufgabe und/oder die Umgebung abgestimmte Morphologien zu bilden. Ein wesentliches Merkmal der überwachten Morphogenese ist die hohe Übertragbarkeit auf andere Systeme, da sie nicht von proprietärer Hardware abhängig ist und mit Standardkameras, LEDs und drahtloser Ethernet-basierter Kommunikation realisiert werden kann, die für die meisten Roboterplattformen verfügbar ist.

Das Roboterteam in der Fallstudie Nr. 1 bestehend aus einer AR.Drone und sechs Fußbänken.
Versuchsaufbau in der Fallstudie Nr. 2: Fünf Bodenroboter werden zunächst im Einsatzbereich platziert. Die Lichtquelle stellt den Zielbereich dar. Zwischen beiden Bereichen wird ein Hügelhindernis platziert, das nicht von einem einzelnen Bodenroboter überquert werden kann. Die Aufgabe erfordert, dass alle Bodenroboter das Ziel erreichen, ohne umzukippen. Visualisiert werden auch zwei Positionen über dem Hügelhindernis, mit dem der Flugroboter mit seinem monokularen Sichtsystem ein dreidimensionales Modell der Umgebung erstellt.

Die Forschungsarbeit bestätigt auch, dass die vorgestellte Steuerungsmethodik heterogenen Robotergruppen Leistungsvorteile in Bezug auf die Erledigungszeiten der Aufgaben bieten kann. Die Methodik ermöglicht es Luftrobotern genau die Anzahl der für eine Zielmorphologie benötigten Ressourcen zuzuordnen, indem sie Roboter basierend auf ihrem Standort am Boden und ihrer gegenseitigen Nähe rekrutieren und gleichzeitig den Rest der Gruppe für andere Aufgaben freisetzen.

Bevor Nithin zu Netcetera kam, war er Forscher bei IRIDIA - dem Forschungslabor für künstliche Intelligenz der Université Libre de Bruxelles in Belgien. Um die im Artikel vorgestellte Forschung abzuschliessen, erhielt Nithin Unterstützung von Netcetera in Form von Bildungstagen und von Wallonie-Brüssel-International (WBI) ein Scholarship for Excellence Stipendium. Der Artikel ist eine Fortsetzung von Nithins früherer Forschung zu Robotern mit «verschmelzbaren Nervensystemen».

Sprechen Sie mit dem Experten

Nithin Mathews

Senior Project Manager & Consultant

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