Auftragsbasierte Führung von Mehrrobotersystemen mit quasi-natürlicher Sprache

Remmersmann, Thomas; Schlick, Christopher; Flemisch, Frank Ole

doi:HT019357931

Auftragsbasierte Führung von Mehrrobotersystemen mit quasi-natürlicher Sprache = Mission command based control of multi-robot systems with quasi-natural language

Remmersmann, Thomas

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Remmersmann

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (vii, 177 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schlick, Christopher (Thesis advisor)^RWTH* ; Flemisch, Frank Ole (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-09-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04756
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/689997/files/689997.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/689997/files/689997.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft (417110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mehrrobotersysteme (frei) ; Führungssysteme (frei) ; Auftragstaktik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

The ongoing developments in automation and sensor technology make it feasible to perform more and more complex tasks using robots. Currently, attempts are being made to let robots handle increasingly complicated and more dynamically variable tasks. Many of these tasks often cannot be efficiently carried out by a single robot. In such cases, a group of cooperating robots, known as a Multi-Robot System (MRS), is needed. However, the control of an MRS by a single operator is only possible if he is supported by assistant functions.This dissertation describes the conceptualization and development of a prototypical assisting robot command and control system (C2 system) using a quasi-natural language for mission command. Command and Control Lexical Grammar (C2LG) is a standardized grammar, which can be used to command MRSs. This dissertation presents the Multi-Robot Behavior Description and Control Language (MRBDCL). This language is based on C2LG and supports the definition of robot behavior. The concept development describes how aspects of issuing, processing and interpreting commands have been incorporated into the design of MRBDCL. In addition to the consideration of these technical requirements, it was also a goal to construction MRBDCL in a way that feels quite natural, thus making it easy to learn. One main consideration in the implementation was the optimization of command execution during runtime. Optimization of command execution was achieved through the use of genetic algorithms. We examined which mutation and recombination operators are best suited for given problems. Technical validation of the prototype was accomplished through two experiments with real robots. The first experiment demonstrated the working interaction concept based on the C2LG and in mission command based style using a heterogeneous MRS with unmanned ground vehicles (UGVs) and unmanned aerial vehicles (UAVs). In the second, the planning system was validated, showing that reconnaissance of a road network and measurement of the concentration of hazardous materials in an area could each be initiated by a single C2LG task. The details of the tasks were determined by the planning system.Validation of the software ergonomic of the C2 system for an MRS was carried out in a study under controlled conditions. The test persons had to use the C2 system in different simulated scenarios. They were tasked with locating hazmat signs using the robots. When the robots detected a hazmat sign, the operators were to check the accuracy of the detection and carry out corrections when necessary. The results showed that the operators performed higher when using the MRBDCL-based group control compared to a single robot task assignment. The study finishes with the interpretation of eye-tracking and user survey data to identify possible improvements for the prototype.

OpenAccess:
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