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Teilprojekt N2: Sichtsystemgestützte Robotersteuerung


Folienpräsentation bei der Begehung durch die DFG 1999
Folienpräsentation bei der Begehung durch die DFG 2002

Ausgangssituation

Werden die durch Bildauswertung ermittelten Aussagen in einer Regelschleife zur Rückkopplung auf einen Prozeß - zum Beispiel einen sichtsystemgeführten Roboter oder ein sichtsystemgeführtes, autonom mobiles Fahrzeug - genutzt, so ist eine Echtzeitauswertung erforderlich.  In einem solchen Fall ist weiter zu klären, ob die Rechenkapazität in einem stationären oder in einem mobilen System bereitgestellt werden muß, in letzterem Fall mit entsprechend stärkeren Einschränkungen bezüglich Platz-, Energie- und Kühlleistungsbedarf. Braucht man die einschränkenden Randbedingungen eines mobilen Einsatzes nicht zu berücksichtigen, so eröffnet sich die Möglichkeit, eng gekoppelte Arbeitsstationen einzusetzen.

Zusätzlich zur Berücksichtigung von Echtzeitbedingungen ergeben sich aber auch durch die Notwendigkeit des Anschlusses zahlreicher Sensoren und Aktuatoren an die Rechner ganz andere Randbedingungen als im Fall einer Bildfolgenauswertung von Verkehrsszenen, sofern das Ergebnis in einer Beschreibung der aufgezeichneten Verkehrsvorgänge und nicht in deren Regelung bestehen soll.

Stand des Teilprojekts

Bei der sichtsystemgestützten Regelung von Roboter-Operationen wurden Erfahrungen zur Verwendung einer Parallelrechnerkonfiguration über einen längeren - bereits vor dem RESH-Projekt angelaufenen - Zeitraum gesammelt. Durch die aus diesen Erfahrungen gezogenen Schlußfolgerungen wurde auch die Vorgehensweise im Teilprojekt N1 beeinflußt, weshalb hier etwas näher darauf eingegangen werden soll.

Als Ergebnis einer sehr zeitaufwendigen 'Rückbaus' des Programmcodes, der sich vollstaendig an Struktur der GigaMachine andlehnte, steht nunmehr ein bereinigtes Programmsystem für Experimente zur sichtsystemgestützten Demontage zur Verfügung, das ca.\ eine halbe bis eine ganze Größenordnung (je nach Versuch) schneller arbeitet als die ursprünglich von der GigaMachine übernommene Version. Im Falle einer monokularen Verfolgung können die vom MiniVista übernommenen Kantenelemente in weniger als 40 msec zur Aktualisierung der Werkzeug- oder Werkstückposition ausgewertet werden, d.h., in diesem Fall arbeitet der Verfolgungsprozeß bereits schritthaltend mit der Video-Erfassung. Die bereinigte Systemstruktur ermöglichte es, weitere (zunächst separat entwickelte) Verfahrensverbesserungen in das Programmsystem zur sichtsystemgestützten Verfolgung zu integrieren und im Betrieb auszuprüfen.

Damit steht nunmehr auch im Teilprojekt N2 ein für Untersuchungen zur Parallelisierbarkeit - unter Beachtung der bei einem Echtzeiteinsatz zu respektierenden Randbedingungen verhältnismäßig einfach - einsetzbares Experimentalsystem zur Verfügung. Beim Vergleich mit Entwicklungen in anderen Forschungsgruppen gelten im Hinblick auf die Kombination von signalnaher Auswertung und modellgestützter Auswertung im Szenenbereich ähnliche Überlegungen wie im Falle von Xtrack, allerdings noch nicht ganz so ausgeprägt, da eine robuste Bild(folgen)-Auswertung unter Echtzeitbedingungen im Regelkreis eines Roboters zusätzliche Schwierigkeiten aufwirft. Es hat sich im übrigen in unserer Arbeitsgruppe immer wieder gezeigt, daß gleichzeitige Untersuchungen eines modellgestützten Ansatzes sowohl bei Verkehrsszenen mit stationärer Kamera als auch in einer Demontagezelle mit bewegter Kamera sich gegenseitig sehr vorteilhaft methodisch befruchten.

Ziele

Aufbauend auf dem im Stand des Teilprojektes  dargelegten Stand sollen im Teilprojekt N2 verschiedene Möglichkeiten zur Leistungssteigerung einer sichtsystemgestützten Roboterregelung durch Parallelisierung der Bildfolgenauswertung auf einer ParaStation untersucht werden. Die dazu notwendigen Experimente erfordern die schritthaltende Übernahme der Bilddaten von den beiden Video-Kameras der Stereo-Anordnung auf dem 'Beobachtungsroboter' sowie die Ausgabe von Stellsignalen an den 'Beobachtungs-' sowie an den 'Manipulations-'Roboter der Demontagezelle. Dies ist ohne geeignete Rechner in unmittelbarer Umgebung der Demontagezelle nicht sinnvoll realisierbar. Da die betreffenden Funktionen in der bisherigen Anordnung noch von - inzwischen zunehmend störanfälligeren - älteren Spezialprozessoren wahrgenommen werden, müssen zur Durchführung der geplanten Experimente diese Funktionen direkt durch neu anzuschaffende PCs übernommen werden.

Die Verbindung der beiden PCs durch schnelle Kommunikationskomponenten soll es ermöglichen, für die Verbindung zu den Robotern und für lokale Funktionsprüfungen an diesen Robotern eine aus nur zwei PCs bestehende ParaStation bereitzustellen. Diese lokale 'Kleinst-ParaStation' soll über eine Universitäts-interne Breitbandverbindung (evtl. unter Nutzung sehr schneller ATM-Komponenten) mit dem Informatik-Hauptgebäude verbunden werden, um die Hauptlast der Berechnungen schrittweise auf die dortigen ParaStationen zu verlagern.

Es werden für das Teilprojekt N2 folgende Arbeitspakete vorgesehen, mit denen auch die Möglichkeiten zur Kopplung dezentraler ParaStationen im Hinblick auf eine - im Bedarfsfall kurzfristig erfolgende - Bereitstellung einer beträchtlichen Zusatz-Rechenkapazität ohne Änderungen an den Auswertungsprogrammen abgeklärt werden sollen:

  • Arbeitspaket N2.A: Übertragung der vorhandenen Programmversion auf eine (lokale) 'Kleinst-ParaStation' in unmittelbarer Nähe der Roboter (u. a. wegen Kabellängenbegrenzung bei der Übertragung der Stereobilder und der Robotersteuerungssignale). Im Zuge dieser Programmübertragung werden bisher eingesetzte Spezialrechner zum Stereobildeinzug mit anschließender Berechnung von Kantenelementen (MiniVista) durch Standard-Digitisierungseinrichtungen ersetzt. Die Berechnung von Kantenelementen muß dazu ebenfalls auf die ParaStation übertragen werden.
  • Arbeitspaket N2.B: Erste Anpassung der Programme zur sichtsystemgestützten Regelung des Beobachtungsroboters (noch ohne Aktivierung des Manipulations-Roboters) an die Struktur der (lokalen) ParaStation.
  • Arbeitspaket N2.C: Quantitative Erfassung von Parallelisierungsalternativen und darauf aufbauende erste Optimierungen des Programmsystems.
  • Arbeitspaket N2.D: Aufbau von Breitbandverbindungen zwischen Roboterzelle und größerer ParaStation im Informatik-Hauptgebäude unter Nutzung der Erfahrungen, die beim Anschluß der Video-Kamera zur Erfassung von Verkehrssituationen an ParaStationen gesammelt worden sind (vgl. dazu Arbeitspakete N1.E und N1.F).
  • Arbeitspaket N2.E: Programmtechnische Integration der (lokalen) ParaStation an der Demontagezelle und einer Partition der zentralen ParaStation.
  • Arbeitspaket N2.F: Quantitative Erfassung von Parallelisierungsalternativen und darauf aufbauende weitere Optimierungen des Gesamtsystems.
  • Arbeitspaket N2.G: Quantitative Erfassung der Programm-Modifikationen zum Aufbau einer Datenbank über den geleisteten Änderungsaufwand; Überprüfung der Korrelation zwischen Parallelisierungsaufwand und Parallelisierungsgewinn im Hinblick auf die Formulierung von potentiell allgemeiner gültigen Zusammenhängen.
  • Arbeitspaket N2.H: Untersuchung, inwieweit sich die erwartete Leistungssteigerung durch Parallelisierung nutzen läßt, um rechenintensivere Verfahrens-Modifikationen zur Verbesserung von Robustheit und Einsatzbreite in das Gesamtsystem zu integrieren:
    • Übergang von der Halbbild- zur Vollbildauswertung bei der modellgestützten Regelung;
    • Einsatz ortsvarianter Filterung zur Bestimmung von Kantenelementen;
    • Übergang zu Flächenmaßen bei der Bewertung der Anpassungsgüte im Zuge der Aktualisierungsphase eines Kalman-Filters (Optische-Fluß-Messungen, Texturmaße, etc.).

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