Diplomarbeit zu Weltmodellen

Dezentrales dynamisches Weltmodell für kooperierende mobile Robotersysteme
Diplomarbeit

Sperrvermerk

Diese Diplomarbeit wurde 2002 zusammen mit der DaimlerChrysler AG erstellt.
Die Arbeit umfaßt oder berührt Entwicklungen, die außerhalb der DaimlerChrysler AG nicht bekannt sind und deshalb vertraulich behandelt werden müssen.
Daher erfolgt hier keine komplette Veröffentlichung.

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein 2D-Weltmodell entwickelt, das eine kooperative Planung mehrerer mobiler Roboter in einer dynamischen Umgebung ermöglicht. Das Weltmodell verwaltet und kombiniert die Ergebnisse verschiedener Umgebungswahrnehmungsmodule in (beliebig) vielen Ebenen. Die gesammelten Daten werden Abnehmern (z.B. für Planung und Visualisierung) über eine Netzwerkschnittstelle zur Verfügung gestellt. Außerdem wird für eine konsistente Planung das Wissen über die Umgebung mit weiteren Robotern ausgetauscht, die jeweils ein eigenes Weltmodell besitzen. Diese Einzelmodelle werden zu einem gemeinsamen konsistenten fusioniert.
Die Umsetzung erfolgt durch die Realisierung eines möglichst flexiblen Weltmodellkonzeptes. Die Implementierung beschränkt sich bisher auf die wesentlichen Informationen wie Freifläche und Hindernisse. Das Modell kann leicht erweitert werden, um beliebige Daten aufnehmen zu können. Die Herkunft der Daten ist für die internen Abläufe des Weltmodells egal. Neue Wahrnehmunsmodule bzw. Sensoren können problemlos integriert werden. Die Erweiterbarkeit schließt auch neue Datentypen ein. Neue Ebenen des Mehrebenen-Weltmodellkonzeptes können völlig neue Bedeutungen zugewiesen bekommen. Auch die Integration von gitter- oder graphenbasierten Weltmodellen ist möglich.
In dieser Diplomarbeit werden zur Verwaltung der Daten Polygone eingesetzt. Diese stellen einen Kompromiß aus der kompakten, aber sehr abstrakten Graphendarstellung und dem Gitterverfahren dar. Die vorhandenen Ebenen können bei der Auswertung für Abnehmer übereinandergelegt und kombiniert werden, um verschiedene Eigenschaften des dargestellten Gebietes zu repräsentieren.
Die Kombination von Sensordaten und Weltmodellebenen erfolgt durch sogenanntes Polygon-Clipping. Damit werden u. a. Schnitt-, Vereinigungs- und Differenzmengen der Flächenbeschreibungen berechnet. Durch Sensorrauschen entstehende kleine Verästelungen in den Polygonen werden intelligent geglättet, damit die Polygone nicht durch zu viele eng liegende Punkte ineffizient werden.
Auf der Grundlage der gesammelten Hindernisdaten ist eine effiziente Wegplanung möglich. Echtzeitanforderungen konnten in intensivem Testbetrieb mit realen Robotern eines FTS-Systems (Fahrerloses Transportsystem für Fabriken mit autonomen Gabelstaplern) eingehalten und nachgewiesen werden.
Die Umsetzung der Fusion unterstützt dynamische Umgebungen, die sich häufig verändern. Dies wird durch die konsequente Einhaltung der durch Zeitstempel festgelegten Reihenfolge bei der Fusion gewährleistet. Auch erst zukünftig gültige Daten werden unterstützt.