Autonome roboter teams f r fu ball und katastrophenhilfe
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Autonome Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe. Verteiltes Wahrnehmen und Handeln Roboter Fußball & der RoboCup Wettkampf Kooperative Wahrnehmung Individuelle Fähigkeiten & Koordination Roboter zur Katastrophenhilfe & der TechX Wettkampf Schlussbemerkungen.

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Autonome Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

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Presentation Transcript


Autonome roboter teams f r fu ball und katastrophenhilfe

Autonome Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

Verteiltes Wahrnehmen und Handeln

Roboter Fußball & der RoboCup Wettkampf

Kooperative Wahrnehmung

Individuelle Fähigkeiten & Koordination

Roboter zur Katastrophenhilfe & der TechX Wettkampf

Schlussbemerkungen


Verteiltes wahrnehmen und handeln in dynamischer umgebung

Verteiltes Wahrnehmen und Handeln in dynamischer Umgebung

  • Unsere Sicht von Algorithmen ändert sich:

    • Von zentralistischen Algorithmen …

      … hin zur Echtzeit-Interaktion verteilter Rechner mit ihrer Umwelt

      • Verschmelzung verschiedener Sensormodalitäten

      • Erreichen von Zielen durch Kooperation und Interaktion

  • Beispiele:

    • Sensornetzwerke

    • Handy & Eigenheim Automatisierung

    • Roboter Teams

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Die robocup initiative

Die RoboCup Initiative

  • Fußball als a Benchmark für die Forschung [Kitano et al 97]:

    • Seit 1997 jährliche Wettkämpfe und Workshops, seit 2001 RoboCup Rescue

  • Einige RoboCup Ligen:

    • „Soccer Mid-Size“ Liga (CS Freiburg)

    • „Rescue Simulation“ Liga (ResQ Freiburg)

    • „Rescue Robot“ Liga (RescueRobots Freiburg)

  • Andere Wettkämpfe:

    • Sick AG Competition

    • TechX Challenge Singapur

Goal CS Freiburg against CMU Hammerheads

(RoboCup´01)

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Robotik projekte der gruppe von prof dr nebel

Robotik Projekte der Gruppe von Prof. Dr. Nebel

„Rettungsroboter“

(2003-2007)

Roboter Fußball (1998-2002)

All-Terrain

Sicherheit & Rettung

(2008-)

Dieser Vortrag

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Cs freiburg roboter hardware

CS Freiburg: Roboter Hardware

  • Hardware

    • Pioneer 1 Roboter (von ActivMedia)

    • Notebook (mit Linux)

    • WLAN

    • Kicker: Eigenbau mit der SICK AG

  • Sensors

    • Digital Sony Kamera

    • SICK Laser Scanner

    • RAD-Odometrie

    • Kicker Sensors

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Sensordaten interpretation

Sensordaten Interpretation

  • Eingabe:

    • Laser Scanner Daten (360 Entfernungsmessungen in 180°, 1cm Genauigkeit, 30 Scans/Sekunde)

    • Odometrie (Translation, Rotation, 10 Messungen/Sekunde)

    • Video (30 Bilder pro Sekunde)

  • Ausgabe:

    • Eigene Pose (Position und Orientierung) = „Selbstlokalisierung“

    • Posen und Geschwindigkeiten anderer Spieler (Mitspieler und Gegner)

    • Ball Position und Geschwindigkeit

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Multi roboter sensorverarbeitung

Multi-Roboter Sensorverarbeitung

  • Alle Spieler senden ihre Schätzungen (eigene Position, Ball Position, Position anderer Spieler) mit einem Zeitstempel zu einem globalen Integrations-Modul.

  • Schätzungen werden vereint

  • Freund-Feind Erkennung: Unsere Spieler funken ihre eigene Position

  • Globale Ballposition Schätzung: Globale Sicht von allen Kameras des Teams  Erkennung von Phantom Bällen (sehr wichtig für den Torwart)

  • Generell: Kooperative Wahrnehmung

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


False positives

False Positives

?

Spieler 2 „halluziniert“

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Demokratische phantom ball eliminierung markov localization

Demokratische Phantom Ball Eliminierung: Markov Localization

  • Vorhersageschritt (von bekannter Richtung und Geschwindigkeit auf 2-dimensionalen Grid)

    • Berechnet die zukünftige Ballposition, gegeben das Bewegungsmodell und die momentane Ballposition (Positionen als Wahrscheinlichkeitsdichte)

  • Aktualisierungsschritt

    • Korrigiert momentan geschätzte Position nach der Bayes´ Regel gegeben eine Beobachtung, z.B. Kamera sieht den Ball bei ~3m und -20°, und das Beobachtungsmodell

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Phantom b lle filterung durch wahrscheinlichkeitsverteilung

Phantom Bälle: Filterung durch Wahrscheinlichkeitsverteilung

after 2nd measurement (2)

after 1st measurement (1)

after 3rd measurement (3)

after 4th measurement (1)

after 5th measurement (2)

after 6th measurement (3)

Ballposition wird im Gebiet höchster Wahrscheinlichkeit angenommen.

Bei RoboCup 2000 wurden 938 von 118388 (0.8%) Ball-Beobachtungen durch die “Markov localization” gefiltert.

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Die notwendigkeit kooperativer ballbeobachtung

Die Notwendigkeit kooperativer Ballbeobachtung

Minho (Portugal) schießt von der anderen Seite des Feldes auf unser Tor. Unser “Goalie” erhält diese Information schon früher von seinen Kameraden und kann deshalb auch früher reagieren.

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Individuelle spieler verhalten

Individuelle Spieler Verhalten

  • Mit dem Ball

    • MoveTrickShoot: beim Lauf auf das Tor, täusche eine Richtung an und drehe im letzten Moment auf die andere Ecke

    • DribbleBall: Lauf mit dem Ball auf as Tor zu

    • ShootPos: Pass auf eine bestimmte Position, oft in der Nähe des gegnerischen Tors

    • InboundShoot: Schuss auf die Bande nach Berechnung

    • TurnBall: Drehung mit Ball in Richtung gegnerisches Tor

  • Ohne Ball

    • ObserveBall, SearchBall, GotoPosition, WaitPass, GetBall, GotoBall . . .

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Spieler verhalten bandenschuss trickschuss

Spieler Verhalten: Bandenschuss & Trickschuss

Bandenschuss gegen COPS Stuttgart

Trickschuss gegen Sharif (Iran)

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Kooperatives handeln

Kooperatives Handeln

  • Fehlende Koordination führt zu Schwarmverhalten

  • Verringerung von Störverhalten erwünscht

    • Keine Angriffe auf eigene Mitspieler

    • Keine Blockierung des angreifenden oder verteidigenden Roboter

    • Verwendung von Kompetenzbereichen auf dem Feld

  • Aufgabenverteilung und Neuverteilung

    • Der Spieler der dem Ball am nächsten ist sollte zu diesem gehen

    • Wenn ein Spieler verhindert ist, sollte ein anderer seine Aufgabe übernehmen

  • Gemeinsame Aktions-Ausführung: Passspiel

  • Verwendung von dynamischen Rollenwechseln

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Kooperation dynamische rollenverteilung

Jeder Spieler hat eine von 4 Rollen:

„goalie“: Torwart (fest)

„active“: Spieler mit dem Ball

„supporter“: Spieler in geg. Hälfte

„strategic“: Spieler in eig. Hälfte

Platzierung: jede Rolle bevorzugt bestimmte Positionen, abhängig von der Situation:

Ball Position, Positionen der Mitspieler und Gegner

Defensive oder Offensive

Kooperation: Dynamische Rollenverteilung

Aktive Rolle

Strategische Rolle

Unterstützende Rolle

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Dynamischer rollenwechsel

Dynamischer Rollenwechsel

  • Jeder Spieler berechnet einen Nutzenwert für jeden Spieler und jede Rolle und verschickt diesen

  • Der Nutzen hängt von der Entfernung des Spielers zu der bevorzugten Position der Rolle ab

  • Jeder Spieler versucht den Gesamtnutzen der Gruppe zu maximieren

    • unter der Annahme das dies alle Mitspieler tun

  • Rollen werden nur dann vertauscht wenn min. zwei Spieler einer Meinung sind

  • Anmerkung: Lokale Ansichten der Roboter können variieren!

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Beispiel des rollenwechsels

Beispiel des Rollenwechsels

Verteidigung gegen Artisti Veneti (Italien) .

Die Rollen des aktiven und strategischen Spielers werden einige male gewechselt

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Gemeinsame ausf hrung ein pass der leider nicht geklappt hat

Gemeinsame Ausführung: Ein Pass . . . der leider nicht geklappt hat

Ein Pass im Semi-Finale gegen das italienische ART Team (RoboCup 1999). Basierend auf folgender Direktive: “Wenn es nicht möglich ist direkt zu schießen, warte auf den supporter und spiele dann einen Pass“

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Roboter f r sicherheit und katastrophenhilfe s r

Roboter für Sicherheit und Katastrophenhilfe (S&R)

  • „Vereinfachte“ Bedingungen bei RoboCup Soccer:

    • Die Welt besteht aus 8 Farben (auch normierte Beleuchtung)

    • Die Welt ist klein (ca. 14 x 12 Meter)

    • Der Boden ist flach

  • Wissenschaftliche Herausforderung S&R: Hoher grad an Realitätsnähe, z.B. „unstrukturierte“ Umgebung

  • Sozialer Nutzen: Roboter sollen Aufgaben übernehmen die für Menschen lebensgefährlich sind

    • Hohe Nachfrage bei „First Respondern“, z.B. Feuerwehr und Polizei

    • Bisher nur „ferngesteuerte“ Einsätze bei z.B. 9/11 und Kathrina

Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


Techx wettkampf in singapur szenario beschreibung

TechX Wettkampf in SingapurSzenario Beschreibung

  • Suche selbständig nach einem Zielgebäude auf einem größeren Gelände, bestehend aus

    • Gebäuden

    • Unwegsamen Gelände (Wiese und Steigungen)

    • Hindernissen die umfahren oder überwunden werden müssen

  • Fahre eine Treppe um das Zielgebäude zu betreten

  • Erreiche das Zielstockwerk über einen Aufzug

  • Durchsuche alle Räume nach Zielobjekten und berühre diese

  • Fahr zurück zur Startposition (Eingang vom Gelände)

  • Skizze der Organisatoren

    • Volle Autonomie, z.B. jeglicher

    • Funkkontakt ist verboten

    • „Mission not accomplished“ nach

    • verstreichen einer Stunde oder

    • wenn ein Ziel übersehen wurde

    • Preisgeld: 500.000€ für den

    • schnellsten Roboter der alle Ziele findet

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Techx wettkampf in singapur missionsinformation

    TechX Wettkampf in SingapurMissionsinformation

    2.) Bild des Aufzugs

    1.) Bild des Gebäudeeingangs

    3.) Text Information

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Techx wettkampf in singapur zielobjekte die erkannt werden m ssen

    TechX Wettkampf in SingapurZielobjekte die erkannt werden müssen

    Kiste

    Mülleimer

    Koffer

    Puppe

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Techx wettkampf in singapur unterschiede zur darpa grand challenge

    TechX Wettkampf in SingapurUnterschiede zur „DARPA Grand Challenge“

    • DARPA GC:

      • Ausreichend GPS Wegpunkte mit “Fahrkorridor”

      • “Befahrbarkeit” des Geländes ist einfach erkennbar (Straße)

      • Strassen sind von Gebäuden entfernt (auch Innerorts)

    • TechX:

      • Drei GPS Wegpunkte (Start, Ende, und das Zielgebäude)

      • Navigation auf jeder Geländeart erlaubt

      • Robot navigiert nah zu Gebäuden (GPS Probleme)

    RNDF Fahrkorridor

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    System bersicht telemax roboter der telerob ag

    Systemübersicht teleMAX Roboter der TELEROB AG

    • All-Terrain Roboter mit 4 Flippern

    • 6 DOF Manipulator

    • 1h Autonomie

    • Dimensionen: 45cm x 100cm – 160cm (abh. Von Flippern)

    • Gewicht: ~100kg mit Sensoren

    • Klettersteigung: 45°

    • Hindernissüberwindung: 0.5m

    • Made in Germany

    Der teleMAX EOD Roboter

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    System bersicht sensoren

    Systemübersicht Sensoren

    • 3D Scanner: Macht 3D Scans während der Fahrt

      • Sieht alles, z.B. Hindernisse, innerhalb von 80 Meter vor den Roboter

      • Sick LMS291 rotiert um seine Achse

      • Amtec PR070 Modul für die Rotation

    • 2D Laser (sieht 360°)

      • Zur Lokalisierung

    • 2D/3D Hokuyo URG-04LX

      • Zur „Manipulation“ an der Hand angebracht (misst Entfernungen)

    • Video Kameras vorne und hinten am Roboter

      • Zur Manipulation und Terrain Klassifikation

    • Crossbow AHRS440 Trägheitssensor

      • Berechnet die 6D Pose des Roboters

    • Trimble Pathfinder ProXT GPS

    6

    teleMAX mit Sensoren

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    System bersicht gps positionsbestimmung verringerung von multipath

    Fehler ca. 5.0 Meter

    Fehler ca. 3.5 Meter

    System ÜbersichtGPS Positionsbestimmung – Verringerung von „Multipath“

    30 Minuten Fahrt

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    System bersicht 3d karte von laser daten und rad odometrie

    Wegweiser

    Bäume

    System Übersicht3D Karte von Laser Daten und Rad-Odometrie

    Gebäude 52

    Gebäude 51

    Vom Roboter erstellte 3D Karte (Uni Freiburg)

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Kartierung des gel ndes beispiel closing the loop

    Kartierung des GeländesBeispiel: „Closing the Loop“

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Navigation klassifikation von unwegsamen gel nde durch verhaltenskarten

    Eingezeichnete Verhalten mit Parameter, z.B. Startposition und Winkel

    NavigationKlassifikation von „unwegsamen Gelände“ durch Verhaltenskarten

    Unwegsames Gelände

    Höhenkarte

    Verhaltenskarte

    Klassifizierte Karte

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Objekterkennung

    Objekterkennung

    Objekterkennung

    3D Scan der momentanen Szene

    Aus der 3D Objektdatenbank

    Merkmalerkennung

    Tiefenbilder des Models

    (von verschiedenen Ansichten)

    Tiefenbild der momentanen Szene

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Befahren einer treppe neues und altes system

    Befahren einer TreppeNeues und altes System

    Telemax in unserem Labor 2008 (ferngesteuert)

    „Lurker“ während RoboCup 2006 (voll autonom)

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Schlussbemerkungen

    Schlussbemerkungen

    • Methoden für das verteilte Wahrnehmen und Handeln werden zunehmend wichtiger

      • Die Verschmelzung mehrerer „Meinungen“ führt zu einer robusteren Wahrnehmung der Welt …

      • … und die Koordination einzelner Aktionen zu effizientem Handeln

    • Wettkämpfe, wie RoboCup und TechX, sind Beispiele für das „Benchmarking“ von Robotersystemen

      • Die Anforderungen steigen schrittweise Jahr für Jahr, wie z.B. beim spielen verschiedener Golfplätze

    • Wenn man es richtig angeht, kann man auch einen Weltmeistertitel gewinnen

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Ergebnisse

    Ergebnisse

    • In der Mid-sized Liga

      • 2ter Platz bei RoboCup German Open 2002

      • 1ter Platz bei RoboCup 2001

      • 1ter Platz bei RoboCup German Open 2001

      • 1ter Platz bei RoboCup 2000

      • 1ter Platz bei RoboCup'98

    • In der Rescue Simulation Liga (ResQ Freiburg):

      • 1ter Platz bei den GermanOpen 2003

      • 1ter Platz bei den GermanOpen 2004

      • 1ter Platz bei der RoboCup Weltmeisterschaft 2004 in Portugal

      • Gewinner des Infrastruktur-Wettkampfs bei RoboCup 2004

      • 1ter Platz bei den GermanOpen 2005

      • Gewinner des Infrastruktur-Wettkampfs bei RoboCup 2005

    • In der Rescue Robot Liga (RescueRobots Freiburg):

      • 2ter Platz bei den GermanOpen 2005

      • „Mobility Award“ bei den GermanOpen 2005

      • 1ter Platz "Best in class Autonomy" bei RoboCup 2005 in Osaka

      • 1ter Platz "Best in class Autonomy" bei RoboCup 2006 in Bremen

    • In der Rescue Simulation Liga (RescueRobots Freiburg):

      • 1ter Platz in der „Virtual robots competition“ bei RoboCup 2006

      • Gewinner des Infrastruktur-Wettkampfs bei RoboCup 2006

    • Beim “Sick Robot Day” 2007

      • 1ter Platz

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Autonome roboter teams f r fu ball und katastrophenhilfe

    Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe


    Wettk mpfe wissenschaft

    Wettkämpfe & Wissenschaft

    Wettkämpfe fördern den „State of the art“ in der Wissenschaft

    Direkte Vergleiche

    Entwicklung neuer, innovativer Lösungen

    Probleme:

    Ausnutzen von „Löchern“ in den Regeln

    Fokus auf den Wettkampf

    Wie baut man ein erfolgreiches System:

    Konzeptionelle Details sind sehr wichtig (z.B. Selbstlokalisierung, Team Koordination)

    Kombination, Integration & Robustheit spielen eine wichtige Rolle

    Resultate werden in Workshops ausgetauscht

    Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

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