A real time, deliberative component for cooperative multi-robot systems in highly dynamic environments

• Applicant: Professor Gerhard Lakemeyer, Ph.D.
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
• Term: from 2001 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5318238

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Ziel des Projektes war die Entwicklung einer deliberativen Komponente, die intelligente Handlungskontrolle von autonomen Robotern unterstutzt. Diese Komponente sollte unter Echtzeitbedingungen Entscheidungen treffen, die zielgerichtetes Handeln erlaubt. Die Arbeiten sollten in der Anwendungsdomäne "Roboterfußball" evaluiert werden. Im Rahmen des Projektes wurde die Sprache Readylog und ihr Ausführungssystem entwickelt. Readylog ist ein Dialekt aus der Sprachfamilie Golog. Golog ist eine logik-basierte Programmiersprache, die explizite Roboterprogrammierung mit Deliberation verbindet. Die formale Semantik basiert auf dem Situationskalkül. Readylog integriert bestehende Erweiterungen wie z.B. Online-Ausführung und Sensing oder das Reasoning mit kontinuierlicher Veränderung. Laufzeit-System und Systemarchitektur von Readylog unterstützen passives Sensing, d.h. sie bieten die Möglichkeit, Umgebungsinformationen in das Weltmodell zu integrieren, ohne explizite Sensingaktionen ausführen zu müssen. Zur Deliberation bedient sich Readylog der Methode des entscheidungstheoretischen Planens, das auf dem vorgestellten Ansatz beruht. Das ursprüngliche System wurde um ein sog. "Execution Monitoring" erweitert, das erlaubt frühzeitig zu erkennen, wenn ein Plan (Policy) nicht oder nur teilweise ausführbar ist. In einem solchen Fall kann schnell reagiert und z.B. die Neuplanung angestoßen werden. Andere Erweiterungen beziehen sich auf die Art und Weise, wie das Weltwissen des Roboters modelliert wird. Hier haben wir uns im Besonderen mit qualitativer Weltmodellierung befasst. In einer Kooperation mit Partnern innerhalb des SPPs aus Bremen und Koblenz wurden Fußballspielzüge in qualitativer Art beschrieben. Das besondere hieran war, dass wir Spielzüge aus dem menschlichen Fußball für die Gegebenheiten des Roboterfußballs angepasst haben. Die Steuerungskomponente Readylog wurde in verschiedenen Anwendungsdomänen evaluiert. Zum einen wurde sie für die höhere Steuerung unserer Fußballroboter eingesetzt. In den Jahren 2003–2006 wurde erfolgreich an RoboCup-Wettkämpfen in der Middle-Size-Liga teilgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass trotz einer höheren Komplexität des Formalismus Entscheidungen in Echtzeit getroffen werden können. Die Ausdrucksstärke von Readylog erlaubte es, die Verhalten des Roboters sehr natürlich zu formulieren. Eine weitere Anwendung war die Multiagenten-Domäne "Unreal Tournament". Da die Echtzeitanforderungen von Unreal Tournament die des Roboterfußballs übersteigen, kann Deliberation hier nur in begrenztem Umfang eingesetzt wer den. Daher macht es keinen Sinn, entscheidungstheoretische Pläne mit einer Tiefe größer zwei zu generieren. Doch trotz der geringen Plantiefe zeigte Readylog eine gute Performance bei der Kontrolle der autonomen Gamebots und konnte mit den Gamebots der Spiele-KI mithalten. Eine weitere Anwendungsdomäne, in der die Ergebnisse des Projektes evaluiert wurden, war RoboCup@Home. Seit 2006 nahmen das Roboterteam des Antragstellers an Wettkämpfen beim RoboCup und bei den German Open im Bereich RoboCup@Home teil. In den Jahren 2006 und 2007 konnte der Weltmeistertitel errungen werden, 2008 der 2. Platz beim RoboCup und 2007 und 2008 konnten die German Open gewonnen werden. Künftige Arbeiten beziehen sich insbesondere auf die Weiterentwicklung der Deliberativen Komponente Readylog. Es ist angedacht, die deliberative Komponente um sogenannte Selbst-Managementeigenschaften zu erweitern. Die Idee dabei ist, dass z.B. ein Service-Roboter nicht nur Handlungspläne entwirft, die bestimmte Ziele erfüllen ("Hole die Tasse aus der Küche"), sondern auch Plausibilitätskontrollen über die eigenen Aktionen durchführt. So ist es z.B. wichtig, dass ein Roboter, der eine Tasse aus der Küche holen soll, nicht während der gesamten Fahrt mit ausgefahrenem Greifarm herumfährt. Er konnte z.B. mit dem Arm hängen bleiben. Hat der Roboter eine volle Tasse gegriffen, so muss er vorsichtiger fahren, damit er nichts verschüttet. Die normalen Handlungspläne abstrahieren von diesen Details, die aber zur Ausführung wichtig sind. Es ist geplant, diese Art der Planung in das bestehende System zu integrieren. Ein weiteres Feld ist die Übertragung der qualitativen Weltmodelle, die im Projektverlauf für den Roboterfußball entwickelt wurden, auf die Service-Robotik-Domäne. Hier konnten wir in ersten theoretischen Arbeiten zeigen, dass sich die Mensch-Maschine-Kommunikation wesentlich durch den Einsatz von qualitativen Weltmodellen vereinfachen lässt. Der Roboter kann dadurch in die Lage versetzt werden, Kommandos wie "Hole die Tasse links auf dem Küchentisch" auszuführen.

Publications

• Controlling unreal tournament 2004 bots with the logicbased action language golog. In: Proceedings of the First AAAI Conference on Artificial Intelligence and Interactive Digital Entertainment (AIIDE-05), pages 151–152. AAAI Press, 2005
  S. Jacobs, A. Ferrein, and G. Lakemeyer
  
• Wie Roboter die Welt sehen. In: A. Beyer and M. Lohoff, editors, Bild und Erkenntnis – Formen und Funktion des Bildes in Wissenschaft und Technik, pages 342–343. Deutscher Kunstverlag und RWTH Aachen, 2005
  A. Ferrein and G. Lakemeyer
  
• Fußballroboter – Wissenschaft, die auch Spaß macht. RWTH Themen, (2):36–39, 2006
  A. Ferrein and G. Lakemeyer
  
• Options in readylog reloaded – generating decisiontheoretic plan libraries in golog. In: KI 2007: Advances in Artificial Intelligence, volume 4667/2007 of Lecture Notes in Computer Science, pages 352–366. Springer Verlag, 2007
  L. Böhnstedt, A. Ferrein, and G. Lakemeyer
  
• A fuzzy set semantics for qualitative fluents in the situation calculus. In: C. Xiong, H. Liu, Y. Huang, and Y. Xiong, editors, Proceedings of the International Conference on Intelligent Robotics and Applications, volume 5314 of Lecture Notes in Computer Science, pages 498–509. Springer, 2008
  A. Ferrein, S. Schiffer, and G. Lakemeyer
  
• Approaching a formal soccer theory from behaviour specifications in robotic soccer. In: P. Dabnicki and A. Baca, editors, Computer in Sports, pages 161–185. WIT Press, 2008
  F. Dylla, A. Ferrein, G. Lakemeyer, J. Murray, O. Obst, T. Röfer, S. Schiffer, F. Stolzenburg, U. Visser, and T. Wagner
  
• Logic-based robot control in highly dynamic domains. Robotics and Autonomous Systems, Special Issue on Semantic Knowledge in Robotics, 56(11):980–991, 2008
  A. Ferrein and G. Lakemeyer
  
• Repairing decision-theoretic policies using goal-oriented planning. In: KI 2008: Advances in Artificial Intelligence, volume 5243/2008 of Lecture Notes in Computer Science, pages 267–275. Springer Verlag, 2008
  C. Mies, A. Ferrein, and G. Lakemeyer
  
• Landmark-based representations for navigating holonomic soccer robots. In: L. Iocchi, H. Matsubara, A. Weitzenfeld, and C. Zhou, editors, RoboCup 2008: Robot Soccer World Cup XII, volume 5399 of Lecture Notes in Computer Science. Springer, 2009
  D. Beck, A. Ferrein, and G. Lakemeyer
  
• A lua-based behavior engine for controlling the humanoid robot nao. In: J. Baltes, M. G. Lagoudakis, T. Naruse, and S. S. Ghidary, editors, RoboCup 2009: Robot Soccer World Cup XIII, volume 5949 of Lecture Notes in Computer Science, pages 240–251. Springer, 2010
  T. Niemüller, A. Ferrein, and G. Lakemeyer
  
• Robot controllers for highly dynamic environments with real-time constraints. Künstliche Intelligenz, 24(2):175–178, 2010
  A. Ferrein
  
• Robust collision avoidance in unknown domestic environments. In: J. Baltes, M. G. Lagoudakis, T. Naruse, and S. S. Ghidary, editors, RoboCup 2009: Robot Soccer World Cup XIII, volume 5949 of Lecture Notes in Computer Science, pages 116– 127. Springer, 2010
  S. Jacobs, A. Ferrein, S. Schiffer, D. Beck, and G. Lakemeyer