Auftragsbasierte Führung von Mehrrobotersystemen mit quasi-natürlicher Sprache

• Mission command based control of multi-robot systems with quasi-natural language

Remmersmann, Thomas; Schlick, Christopher (Thesis advisor); Flemisch, Frank Ole (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Kurzfassung

Durch die fortschreitende Entwicklung in den Bereichen Automatisierungstechnik und Sensorik ist es möglich, immer komplexere Aufgaben von Robotern ausführen zu lassen. Gegenwärtig wird versucht, immer komplexere und dynamisch veränderliche Aufgabenstellungen mit Hilfe von Robotern zu bearbeiten. Diese können oftmals nicht effizient von einem einzelnen Roboter bearbeitet werden, sondern erfordern den Einsatz einer Gruppe kooperierender Robotersysteme, deren effektive Führung von einem Operateur nur mit Assistentsfunktionen geleistet werden kann. Diese Dissertation beschreibt die Konzeption und Entwicklung eines prototypischen, assistierenden Roboterführungssystems mit einer quasi-natürlichen Sprache für die auftragsbasierte Mensch-Roboter-Interaktion. Mit der Command and Control Lexical Grammar (C2LG) wurde bereits eine Grammatik zur Befehligung von Mehrrobotersystemen (MRS) standardisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Sprache Multi-Robot Behavior Description and Control Language (MRBDCL) entwickelt, die auf der C2LG aufbaut, und mit deren Hilfe sich Roboterverhalten definieren lassen. In der Konzeptentwicklung wird beschrieben, wie die Aspekte Befehlsgabe, Befehlsverarbeitung und Befehlsinterpretation für den Aufbau der Sprache MRBDCL berücksichtigt wurden. Neben der Berücksichtigung der technischen Erfordernisse wurde darauf geachtet, dass die Sprache von Menschen als natürlich empfunden wird und leicht zu erlernen ist. Bei der Darlegung der Implementierung wurde besonderes Gewicht auf die Optimierung der Befehlsausführung zur Laufzeit gelegt. Für die Optimierung der Aufgabenabarbeitung werden evolutionäre Algorithmen eingesetzt und es wurde untersucht, welche Mutations- und Rekombinationsoperatoren für die gegebene Problemstellung am besten geeignet sind. Für die technische Validierung des in dieser Arbeit entwickelten Prototyps wurden zwei Experimente mit realen MRS durchgeführt. Im ersten Experiment wurde gezeigt, dass das Eingabekonzept in Anlehnung an die C2LG und im Sinne der Auftragstaktik zur Führung eines heterogenen MRS mit UGV und UAV funktioniert. Im zweiten Experiment erfolgte die technische Validierung des Planungssystems. Dabei wurde gezeigt, dass die Aufklärung eines Straßennetzes und die Gefahrstoffkonzentrationsvermessung in einem Bereich jeweils durch einen einzelnen C2LG-Befehl initiiert werden konnte und die Details automatisch vom Planungssystem ausgearbeitet wurden.Die Validierung der Software-Ergonomie der Führungs- und Überwachungslösung für MRS wurde in einer Studie unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Die Versuchspersonen wurden mit der Anwendung des MRS in Beispielszenarien konfrontiert. Die Probanden sollten mit Hilfe der Roboter Gefahrentafeln finden, eine automatisierte Gefahrentafelerkennung manuell überprüfen und diese gegebenenfalls korrigieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Operateure bei Verwendung der durch MRBDCL ermöglichten auftragsorientierten Gruppensteuerung eine höhere Leistung erreichten als bei Steuerung der Einzelroboter. Die softwareergonomische Untersuchung wurde durch Eyetracking und Benutzerbefragung abgerundet und zeigte Möglichkeiten zur Verbesserung auf.