Optimale kooperative Steuerung von Mehrrobotersystemen

Beschreibung

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms wird auf der Grundlage nichtlinearer hybrider dynamischer Systemtheorie ein neues, allgemeines Paradigma zur zielorientierten dynamischen Koordination eines Teams mobiler Roboter untersucht, in das RoboCup-Szenario integriert und anhand dessen validiert werden.

Der zeitveränderliche hybride Zustand des Gesamtsystems besteht aus den diskreten (Rollen, Aktionen) und den kontinuierlichen (Position, Orientierung, Geschwindigkeit) Zustandsgrößen aller mobilen Roboter und Objekte, dessen zeitlicher Verlauf durch einen hybriden Zustandsautomaten beschrieben wird. Dies ermöglicht die enge und formale Verknüpfung von diskreter und kontinuierlicher Systemdynamik, d.h. von dynamischen Rollen- und Aktionszuweisungen bzw. Aktionsabfolgen und dem physikalischen Bewegungsverhalten der einzelnen Roboter.

Die Bestimmung optimaler hybrider Zustandsverläufe zur Minimierung eines Gütekriteriums für die optimale Mehrroboterkooperation unter Einhaltung zusätzlicher Beschränkungen wird auf gemischt ganzzahlige Optimierungsprobleme transformiert, die numerisch gelöst werden. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms wird damit die innovative Integration physikalisch-basierter Trajektorienplanung mit dynamischen Aktionszuweisungen in Softwarearchitekturen für Robotersteuerungen ebenso wie in integrierte Entwurfsverfahren befördert. Die hier entwickelten Methoden und Techniken sind grundsätzlich auf andere Szenarien kooperierender mobiler Roboter übertragbar, bei denen die physikalischen Bewegungseigenschaften einen entscheidenden Einfluß besitzen.

 

Modellierung einer Fussballspielsituation durch einen hybriden Automaten und Berechnung einer Strategie inklusive der individuellen Bewegungstrajektorien einzelner Roboter, so dass möglichst schnell ein Tor erzielt wird.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel stellt die Kooperation unbemannter Flugobjekte dar. Zur Aufklärung (z.B. bei Waldbrandgefahr oder bei Katastrophen) sollen verschiedene Wegpunkte besucht werden. Diese werden auf kooperierende, unbemannte Flugobjekte verteilt, und für jedes der Flugzeuge wird eine spezifische Flugtrajektorie berechnet, so dass alle Wegpunkte in minimaler Zeit besucht werden können (siehe auch www.comets-uavs.org).

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