ISBN 9783843907514

978-3-8439-0751-4, Reihe Informatik

Alexander Kettler
Werkzeuge für den Entwurf und die Analyse von Algorithmen in der Kollektiven Robotik

155 Seiten, Dissertation Karlsruher Institut für Technologie (2012), Hardcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Das noch sehr junge Gebiet der kollektiven Robotik befasst sich mit Systemen aus mehreren autonomen, miteinander interagierenden Robotern. Die Zusammenarbeit der Roboter ermöglicht ihnen die Bearbeitung von Aufgaben, die für einen einzelnen Roboter des Systems nicht möglich wären oder zu viel Zeit in Anspruch nehmen würden. Die einzelnen Roboter und die auf ihnen ausgeführten Kontrollalgorithmen sind dabei oft sehr einfach gehalten. Durch die vielen Interaktionen der Roboter untereinander kann jedoch daraus auf globaler Ebene ein sehr komplexes Gesamtverhalten entstehen. Diese Komplexität macht die gezielte Programmierung eines gewünschten Verhaltens oft äußerst schwer.

Die vorliegende Dissertation entwickelt neue Werkzeuge für die experimentelle, simulative und Modell-basierte Analyse des globalen Verhaltens eines Multi-Roboter-Systems, ausgehend von einem gegebenen Kontrollalgorithmus der lokal auf den einzelnen Mitgliedern des Systems ausgeführt wird.

Im Bereich Experiment wird ein neuartiger Miniatur-Schwarm-Roboter beschrieben. Der Roboter bietet aufgrund seines robusten lokalen Infrarot-Kommunikations- und Ortungssystems optimale Voraussetzungen für die Verwendung in einem Kollektiv und kann aufgrund der Vielfalt seiner Sensorik für eine breite Palette an Experimenten verwendet werden.

Die in dieser Dissertation entwickelte Software "DisCoBotS" ermöglicht die äußerst realitätsnahe Simulation einer großen Anzahl von Robotern. Die Verwendung von Grafikhardware beschleunigt dabei die Berechnungen. Zudem lässt sich die Simulation verteilt auf mehreren Rechnern ausführen.

Abstrakte mathematische Modelle bieten eine Alternative zur Durchführung einer Vielzahl von Simulationen oder Experimenten, wie es beispielsweise für die Optimierung eines Algorithmus notwendig ist. Die Arbeit stellt dafür ein neues Modell zur Vorhersage des durchschnittlichen Verhaltens eines Roboterschwarms auf globaler Ebene vor. Dieses stellt einen systematischen Zusammenhang zwischen den lokalen Aktionen der einzelnen Roboter und deren globalen Auswirkungen her.

Zuletzt wird die Anwendbarkeit der vorgestellten Werkzeuge anhand eines anschaulichen Anwendungsfalles demonstriert.