Autonome Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

1. Autonome Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe Verteiltes Wahrnehmen und Handeln Roboter Fußball & der RoboCup Wettkampf Kooperative Wahrnehmung Individuelle Fähigkeiten & Koordination Roboter zur Katastrophenhilfe & der TechX Wettkampf Schlussbemerkungen

2. Verteiltes Wahrnehmen und Handeln in dynamischer Umgebung • Unsere Sicht von Algorithmen ändert sich: • Von zentralistischen Algorithmen … … hin zur Echtzeit-Interaktion verteilter Rechner mit ihrer Umwelt • Verschmelzung verschiedener Sensormodalitäten • Erreichen von Zielen durch Kooperation und Interaktion • Beispiele: • Sensornetzwerke • Handy & Eigenheim Automatisierung • Roboter Teams Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

3. Die RoboCup Initiative • Fußball als a Benchmark für die Forschung [Kitano et al 97]: • Seit 1997 jährliche Wettkämpfe und Workshops, seit 2001 RoboCup Rescue • Einige RoboCup Ligen: • „Soccer Mid-Size“ Liga (CS Freiburg) • „Rescue Simulation“ Liga (ResQ Freiburg) • „Rescue Robot“ Liga (RescueRobots Freiburg) • Andere Wettkämpfe: • Sick AG Competition • TechX Challenge Singapur Goal CS Freiburg against CMU Hammerheads (RoboCup´01) Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

4. Robotik Projekte der Gruppe von Prof. Dr. Nebel „Rettungsroboter“ (2003-2007) Roboter Fußball (1998-2002) All-Terrain Sicherheit & Rettung (2008-) Dieser Vortrag Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

5. CS Freiburg: Roboter Hardware • Hardware • Pioneer 1 Roboter (von ActivMedia) • Notebook (mit Linux) • WLAN • Kicker: Eigenbau mit der SICK AG • Sensors • Digital Sony Kamera • SICK Laser Scanner • RAD-Odometrie • Kicker Sensors Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

6. Sensordaten Interpretation • Eingabe: • Laser Scanner Daten (360 Entfernungsmessungen in 180°, 1cm Genauigkeit, 30 Scans/Sekunde) • Odometrie (Translation, Rotation, 10 Messungen/Sekunde) • Video (30 Bilder pro Sekunde) • Ausgabe: • Eigene Pose (Position und Orientierung) = „Selbstlokalisierung“ • Posen und Geschwindigkeiten anderer Spieler (Mitspieler und Gegner) • Ball Position und Geschwindigkeit Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

7. Multi-Roboter Sensorverarbeitung • Alle Spieler senden ihre Schätzungen (eigene Position, Ball Position, Position anderer Spieler) mit einem Zeitstempel zu einem globalen Integrations-Modul. • Schätzungen werden vereint • Freund-Feind Erkennung: Unsere Spieler funken ihre eigene Position • Globale Ballposition Schätzung: Globale Sicht von allen Kameras des Teams  Erkennung von Phantom Bällen (sehr wichtig für den Torwart) • Generell: Kooperative Wahrnehmung Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

8. False Positives ? Spieler 2 „halluziniert“ Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

9. Demokratische Phantom Ball Eliminierung: Markov Localization • Vorhersageschritt (von bekannter Richtung und Geschwindigkeit auf 2-dimensionalen Grid) • Berechnet die zukünftige Ballposition, gegeben das Bewegungsmodell und die momentane Ballposition (Positionen als Wahrscheinlichkeitsdichte) • Aktualisierungsschritt • Korrigiert momentan geschätzte Position nach der Bayes´ Regel gegeben eine Beobachtung, z.B. Kamera sieht den Ball bei ~3m und -20°, und das Beobachtungsmodell Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

10. Phantom Bälle: Filterung durch Wahrscheinlichkeitsverteilung after 2nd measurement (2) after 1st measurement (1) after 3rd measurement (3) after 4th measurement (1) after 5th measurement (2) after 6th measurement (3) Ballposition wird im Gebiet höchster Wahrscheinlichkeit angenommen. Bei RoboCup 2000 wurden 938 von 118388 (0.8%) Ball-Beobachtungen durch die “Markov localization” gefiltert. Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

11. Die Notwendigkeit kooperativer Ballbeobachtung Minho (Portugal) schießt von der anderen Seite des Feldes auf unser Tor. Unser “Goalie” erhält diese Information schon früher von seinen Kameraden und kann deshalb auch früher reagieren. Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

12. Individuelle Spieler Verhalten • Mit dem Ball • MoveTrickShoot: beim Lauf auf das Tor, täusche eine Richtung an und drehe im letzten Moment auf die andere Ecke • DribbleBall: Lauf mit dem Ball auf as Tor zu • ShootPos: Pass auf eine bestimmte Position, oft in der Nähe des gegnerischen Tors • InboundShoot: Schuss auf die Bande nach Berechnung • TurnBall: Drehung mit Ball in Richtung gegnerisches Tor • Ohne Ball • ObserveBall, SearchBall, GotoPosition, WaitPass, GetBall, GotoBall . . . Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

13. Spieler Verhalten: Bandenschuss & Trickschuss Bandenschuss gegen COPS Stuttgart Trickschuss gegen Sharif (Iran) Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

14. Kooperatives Handeln • Fehlende Koordination führt zu Schwarmverhalten • Verringerung von Störverhalten erwünscht • Keine Angriffe auf eigene Mitspieler • Keine Blockierung des angreifenden oder verteidigenden Roboter • Verwendung von Kompetenzbereichen auf dem Feld • Aufgabenverteilung und Neuverteilung • Der Spieler der dem Ball am nächsten ist sollte zu diesem gehen • Wenn ein Spieler verhindert ist, sollte ein anderer seine Aufgabe übernehmen • Gemeinsame Aktions-Ausführung: Passspiel • Verwendung von dynamischen Rollenwechseln Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

15. Jeder Spieler hat eine von 4 Rollen: „goalie“: Torwart (fest) „active“: Spieler mit dem Ball „supporter“: Spieler in geg. Hälfte „strategic“: Spieler in eig. Hälfte Platzierung: jede Rolle bevorzugt bestimmte Positionen, abhängig von der Situation: Ball Position, Positionen der Mitspieler und Gegner Defensive oder Offensive Kooperation: Dynamische Rollenverteilung Aktive Rolle Strategische Rolle Unterstützende Rolle Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

16. Dynamischer Rollenwechsel • Jeder Spieler berechnet einen Nutzenwert für jeden Spieler und jede Rolle und verschickt diesen • Der Nutzen hängt von der Entfernung des Spielers zu der bevorzugten Position der Rolle ab • Jeder Spieler versucht den Gesamtnutzen der Gruppe zu maximieren • unter der Annahme das dies alle Mitspieler tun • Rollen werden nur dann vertauscht wenn min. zwei Spieler einer Meinung sind • Anmerkung: Lokale Ansichten der Roboter können variieren! Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

17. Beispiel des Rollenwechsels Verteidigung gegen Artisti Veneti (Italien) . Die Rollen des aktiven und strategischen Spielers werden einige male gewechselt Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

18. Gemeinsame Ausführung: Ein Pass . . . der leider nicht geklappt hat Ein Pass im Semi-Finale gegen das italienische ART Team (RoboCup 1999). Basierend auf folgender Direktive: “Wenn es nicht möglich ist direkt zu schießen, warte auf den supporter und spiele dann einen Pass“ Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

19. Roboter für Sicherheit und Katastrophenhilfe (S&R) • „Vereinfachte“ Bedingungen bei RoboCup Soccer: • Die Welt besteht aus 8 Farben (auch normierte Beleuchtung) • Die Welt ist klein (ca. 14 x 12 Meter) • Der Boden ist flach • Wissenschaftliche Herausforderung S&R: Hoher grad an Realitätsnähe, z.B. „unstrukturierte“ Umgebung • Sozialer Nutzen: Roboter sollen Aufgaben übernehmen die für Menschen lebensgefährlich sind • Hohe Nachfrage bei „First Respondern“, z.B. Feuerwehr und Polizei • Bisher nur „ferngesteuerte“ Einsätze bei z.B. 9/11 und Kathrina Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

20. TechX Wettkampf in SingapurSzenario Beschreibung • Suche selbständig nach einem Zielgebäude auf einem größeren Gelände, bestehend aus • Gebäuden • Unwegsamen Gelände (Wiese und Steigungen) • Hindernissen die umfahren oder überwunden werden müssen • Fahre eine Treppe um das Zielgebäude zu betreten • Erreiche das Zielstockwerk über einen Aufzug • Durchsuche alle Räume nach Zielobjekten und berühre diese • Fahr zurück zur Startposition (Eingang vom Gelände) Skizze der Organisatoren • Volle Autonomie, z.B. jeglicher • Funkkontakt ist verboten • „Mission not accomplished“ nach • verstreichen einer Stunde oder • wenn ein Ziel übersehen wurde • Preisgeld: 500.000€ für den • schnellsten Roboter der alle Ziele findet Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

21. TechX Wettkampf in SingapurMissionsinformation 2.) Bild des Aufzugs 1.) Bild des Gebäudeeingangs 3.) Text Information Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

22. TechX Wettkampf in SingapurZielobjekte die erkannt werden müssen Kiste Mülleimer Koffer Puppe Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

23. TechX Wettkampf in SingapurUnterschiede zur „DARPA Grand Challenge“ • DARPA GC: • Ausreichend GPS Wegpunkte mit “Fahrkorridor” • “Befahrbarkeit” des Geländes ist einfach erkennbar (Straße) • Strassen sind von Gebäuden entfernt (auch Innerorts) • TechX: • Drei GPS Wegpunkte (Start, Ende, und das Zielgebäude) • Navigation auf jeder Geländeart erlaubt • Robot navigiert nah zu Gebäuden (GPS Probleme) RNDF Fahrkorridor Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

24. Systemübersicht teleMAX Roboter der TELEROB AG • All-Terrain Roboter mit 4 Flippern • 6 DOF Manipulator • 1h Autonomie • Dimensionen: 45cm x 100cm – 160cm (abh. Von Flippern) • Gewicht: ~100kg mit Sensoren • Klettersteigung: 45° • Hindernissüberwindung: 0.5m • Made in Germany Der teleMAX EOD Roboter Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

25. Systemübersicht Sensoren • 3D Scanner: Macht 3D Scans während der Fahrt • Sieht alles, z.B. Hindernisse, innerhalb von 80 Meter vor den Roboter • Sick LMS291 rotiert um seine Achse • Amtec PR070 Modul für die Rotation • 2D Laser (sieht 360°) • Zur Lokalisierung • 2D/3D Hokuyo URG-04LX • Zur „Manipulation“ an der Hand angebracht (misst Entfernungen) • Video Kameras vorne und hinten am Roboter • Zur Manipulation und Terrain Klassifikation • Crossbow AHRS440 Trägheitssensor • Berechnet die 6D Pose des Roboters • Trimble Pathfinder ProXT GPS 6 teleMAX mit Sensoren Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

26. Fehler ca. 5.0 Meter Fehler ca. 3.5 Meter System ÜbersichtGPS Positionsbestimmung – Verringerung von „Multipath“ 30 Minuten Fahrt Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

27. Wegweiser Bäume System Übersicht3D Karte von Laser Daten und Rad-Odometrie Gebäude 52 Gebäude 51 Vom Roboter erstellte 3D Karte (Uni Freiburg) Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

28. Kartierung des GeländesBeispiel: „Closing the Loop“ Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

29. Eingezeichnete Verhalten mit Parameter, z.B. Startposition und Winkel NavigationKlassifikation von „unwegsamen Gelände“ durch Verhaltenskarten Unwegsames Gelände Höhenkarte Verhaltenskarte Klassifizierte Karte Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

30. Objekterkennung Objekterkennung 3D Scan der momentanen Szene Aus der 3D Objektdatenbank Merkmalerkennung Tiefenbilder des Models (von verschiedenen Ansichten) Tiefenbild der momentanen Szene Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

31. Befahren einer TreppeNeues und altes System Telemax in unserem Labor 2008 (ferngesteuert) „Lurker“ während RoboCup 2006 (voll autonom) Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

32. Schlussbemerkungen • Methoden für das verteilte Wahrnehmen und Handeln werden zunehmend wichtiger • Die Verschmelzung mehrerer „Meinungen“ führt zu einer robusteren Wahrnehmung der Welt … • … und die Koordination einzelner Aktionen zu effizientem Handeln • Wettkämpfe, wie RoboCup und TechX, sind Beispiele für das „Benchmarking“ von Robotersystemen • Die Anforderungen steigen schrittweise Jahr für Jahr, wie z.B. beim spielen verschiedener Golfplätze • Wenn man es richtig angeht, kann man auch einen Weltmeistertitel gewinnen Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

33. Ergebnisse • In der Mid-sized Liga • 2ter Platz bei RoboCup German Open 2002 • 1ter Platz bei RoboCup 2001 • 1ter Platz bei RoboCup German Open 2001 • 1ter Platz bei RoboCup 2000 • 1ter Platz bei RoboCup'98 • In der Rescue Simulation Liga (ResQ Freiburg): • 1ter Platz bei den GermanOpen 2003 • 1ter Platz bei den GermanOpen 2004 • 1ter Platz bei der RoboCup Weltmeisterschaft 2004 in Portugal • Gewinner des Infrastruktur-Wettkampfs bei RoboCup 2004 • 1ter Platz bei den GermanOpen 2005 • Gewinner des Infrastruktur-Wettkampfs bei RoboCup 2005 • In der Rescue Robot Liga (RescueRobots Freiburg): • 2ter Platz bei den GermanOpen 2005 • „Mobility Award“ bei den GermanOpen 2005 • 1ter Platz "Best in class Autonomy" bei RoboCup 2005 in Osaka • 1ter Platz "Best in class Autonomy" bei RoboCup 2006 in Bremen • In der Rescue Simulation Liga (RescueRobots Freiburg): • 1ter Platz in der „Virtual robots competition“ bei RoboCup 2006 • Gewinner des Infrastruktur-Wettkampfs bei RoboCup 2006 • Beim “Sick Robot Day” 2007 • 1ter Platz Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

34. Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe

35. Wettkämpfe & Wissenschaft Wettkämpfe fördern den „State of the art“ in der Wissenschaft Direkte Vergleiche Entwicklung neuer, innovativer Lösungen Probleme: Ausnutzen von „Löchern“ in den Regeln Fokus auf den Wettkampf Wie baut man ein erfolgreiches System: Konzeptionelle Details sind sehr wichtig (z.B. Selbstlokalisierung, Team Koordination) Kombination, Integration & Robustheit spielen eine wichtige Rolle Resultate werden in Workshops ausgetauscht Roboter Teams für Fußball und Katastrophenhilfe 35