Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 Projektstudium Technische Anwendungen der Informatik protai7 RoboCup 2002/2003 Abschlussveranstaltung 07.08.2003.

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1 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 Projektstudium Technische Anwendungen der Informatik protai7 RoboCup 2002/2003 Abschlussveranstaltung 07.08.2003 Lehrstuhl für Rechnerstrukturen, Prof. Dr. Grass Lehrstuhl für Numerische Mathematik und Analysis, Prof. Dr. Donner

2 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 2 / 74 Was ist RoboCup? Internationale Forschungs- und Bildungsinitiative Schwerpunkt: Künstliche Intelligenz und Intelligente Robotik Populäres Spiel: Fußball

3 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 3 / 74 Die Middle Size League Robotergröße: ca. 50 x 50 x 50 cm Maximales Gewicht 80 kg Roboterfarbe: Schwarz Regelwerk an FIFA Bestimmungen angelehnt Kommunikation der Roboter untereinander ist ausdrücklich erlaubt

4 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 4 / 74 Was ist das Projektstudium? Praktische Erfahrungen Anspruchsvolle wissenschaftliche Themengebiete Teamarbeit

5 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 5 / 74 Aufgaben und Ziele Übernahme des bestehenden Projektes Implementierung von Teamfähigkeit Einführung von Echtzeit-Scheduling Grundlage für nachfolgende Gruppen

6 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 6 / 74 Herausforderungen Hardware –Programmierung –Diagnose und Instandhaltung Software –Sehr komplexes System –Starke Abhängigkeiten der Komponenten Teamarbeit –Organisation der Aufgaben –Koordination der Gruppe auf ein Ziel hin

7 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 7 / 74 Inhalts-Übersicht 1.Grundlagen 2.Hardware 3.Architektur des Projektes 4.Sensorverarbeitung und Bildverarbeitung 5.Kommunikationssystem 6.Künstliche Intelligenz 7.Vorführung Bildverarbeitung und KI 8.Live-Vorführung auf dem Spielfeld

8 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 8 / 74 Welche Hardware steht zur Verfügung? Roboter –ActivMedia Pioneer 2 –Embedded Board mit 400 MHz CPU –Bewegliche Kamera –Sonar-Sensoren –Odometrie-Sensoren –Pioneer 2 Microcontroller Board

9 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 9 / 74 Betriebs-Umgebung Standard-Hardware Linux (Debian 3.0) Echtzeit-Kernel Problem: Festplatte im fahrenden Roboter Lösung: Disc on Chip

10 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 10 / 74 Die Kamera Sony EVI-D31 Schwenkbar Auto-Tracking Kommunikation per VISCA TM Protokoll (Video System Control Architecture)

11 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 11 / 74 Neuerung: Auslesen von Kameradaten Serielles Kabel von der Kamera zum Mainboard Kommunikation über das VISCA TM Protokoll

12 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 12 / 74 Interessante Kameradaten Belichtungseinstellungen Neigungs- und Drehwinkel –Kamera kann im Spiel bewegt werden Auto-Tracking Informationen –Bis zu vier Ziele –Aktives und passives Tracking

13 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 13 / 74 Auto-Tracking

14 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 14 / 74 Inhalts-Übersicht 1.Grundlagen 2.Hardware 3.Architektur des Projektes 4.Sensorverarbeitung und Bildverarbeitung 5.Kommunikationssystem 6.Künstliche Intelligenz 7.Vorführung Bildverarbeitung und KI 8.Live-Vorführung auf dem Spielfeld

15 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 15 / 74 Hardware- Ansteuerung Architektur Sensorverarbeitung Künstliche Intelligenz

16 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 16 / 74 Architektur Hardware- Ansteuerung Sensorverarbeitung Künstliche Intelligenz Frame Grabber Kamera (Tracking) SonarOdometrie AktorenNetzwerk

17 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 17 / 74 Architektur Sensorverarbeitung Hardware- Ansteuerung Künstliche Intelligenz Bildverarbeitung EigenpositionBallfindung Tracking Ballfindung Sonar Eigenposition Odometrie Eigenposition Sensorfusion BallfindungEigenposition

18 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 18 / 74 Architektur Künstliche Intelligenz Hardware- Ansteuerung Sensorverarbeitung Weltmodell Verhalten

19 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 19 / 74 Echtzeitanforderungen bei Robocup Performance DeadlineAntwortzeit Weiche Echtzeitanforderungen Linux KernelRealtime Linux Kernel durchschnittliche Latenzzeit 10ms5µs maximale Latenzzeit >10s50µs

20 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 20 / 74 Echtzeit unter Linux – zwei Ansätze: Preemptive Patch für Kernel -MontaVista Scheduler -KU-RT Linux -TimeSys Integration eines Mikrokernels -RT-Linux -RTAI

21 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 21 / 74 Echtzeit unter Linux - RTAI Hardware Real-Time Hardware Abstraction Layer (RTHAL) Kernel- Module RTAI- Modul RTAI- Modul RTAI- Modul Kernel-Space User-Space Realtime- Applikation Linux- Programme Linux Kernel Fifo, Mailbox, SHMEM LXRT

22 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 22 / 74 Design-To-Time Scheduling Algorithmus Statischer Scheduling-Algorithmus Effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Zeit Dynamische Auswahl verschiedener Algorithmen anhand von –Laufzeit –Qualität Ausführung als Echtzeittask oder als Task mit höchster Priorität

23 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 23 / 74 Design-To-Time Scheduling Algorithmus Pascha Taskgraph C++ Code Design To Time Scheduling Algorithmus DecisionDAG Dispatcher Creator

24 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 24 / 74 Echtzeit-Scheduling Hardware- Ansteuerung Sensorverarbeitung Künstliche Intelligenz RTAI RealTime OS Kernel TaskGraph Dispatcher Kamera- daten Sonar/ Odometrie- daten Kernel Modul RTAI

25 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 25 / 74 Inhalts-Übersicht 1.Grundlagen 2.Hardware 3.Architektur des Projektes 4.Sensorverarbeitung u. Bildverarbeitung 5.Kommunikationssystem 6.Künstliche Intelligenz 7.Vorführung Bildverarbeitung und KI 8.Live-Vorführung auf dem Spielfeld

26 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 26 / 74 Eigenpositionsfindung 1.Extrahiere Linien aus Bild 2.Berechne Lage der Linien im Roboter-Koordinaten- System 1.Extrahiere Linien aus Bild Fehler 1.Extrahiere Linien aus Bild 2.Berechne Lage der Linien im Roboter-Koordinaten- System 3.Linien-Matching mit gespeichertem Spielfeld-Modell und Hypothesen-Erzeugung 4.Bewertung der Hypothesen mittels Fehlerfunktion und Auswahl der besten Hypothese 1.Extrahiere Linien aus Bild 2.Berechne Lage der Linien im Roboter-Koordinaten- System 3.Linien-Matching mit gespeichertem Spielfeld-Modell und Hypothesen-Erzeugung

27 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 27 / 74 Eigenpositionsfindung protai6 1.SeedSearch 2.Zuordnung von SeedPoints zu drei Gruppen (Spielfeldbegrenzung, Spielfeldlinie vorne, Spielfeldlinie hinten) anhand einfacher Annahmen 3.Liniensplittung und Verwurf der Verbindungspunkte

28 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 28 / 74 Eigenpositionsfindung protai6 Sehr schnell Gute Ergebnisse bei guter Farbkalibrierung Viele SeedPoints und Farbklassifizierung notwendig protai7 protai6-Algorithmus mit erweiterter Farbkalibrierung sowie schnellerer Farbklassifizierung und SeedSearch Durchschnittliche Laufzeit 18ms

29 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 29 / 74 Farbklassifizierung Partitionierung des RGB-Farbraums Ziel: Robustheit gegenüber Helligkeitsänderungen

30 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 30 / 74 Der HSV-Farbraum Robustheit gegenüber Helligkeitsveränderungen lässt sich durch Wechsel in einen anderen Farbraum realisieren Eine Farbe wird durch die Komponenten Hue (Farbton), Saturation (Farbsättigung) und Value (Helligkeit) definiert

31 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 31 / 74 Farbklassifizierung protai6 Definiere Farbbereichsgrenzen für die Farbklassen im HSV-Raum vor Programmstart (Farbkalibrierung) Konvertierung des RGB-Tripels in ein HSV-Tripel zur Laufzeit Test für die zuvor definierten Farbbereichsgrenzen protai7 Definiere Farbbereichsgrenzen vor Programmstart Konvertierung aller RGB-Tripel in HSV-Tripel, Test für die zuvor definierten H-S-V-Intervalle und Speicherung der Farbklasse in einer Lookup-Tabelle (16 MB)

32 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 32 / 74 Farbkalibrierung Suche nach Bereichsgrenzen der Partitionen {weiß,schwarz,rot,...} (hier im HSV-Raum) Wir haben zwei verschiedene Verfahren implementiert manuell semi-automatisch

33 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 33 / 74 Farbkalibrierung – manuell Klick in Region berechnet Minima und Maxima der HSV- Werte innerhalb eines Umkreises Vorschau aller Farbregionen des Bildes und Berechnung von Überlappungsbereichen

34 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 34 / 74 Farbkalibrierung – semi-automatisch Aufnahme einer definierten Szene Berechnung der Mittelwerte und der Varianzen der HSV- Tripel jeder Farbpartition Multiplikation der Varianzen mit einstellbaren Faktoren liefert Intervallgrenzen Automatische Auflösung von Überlappungen durch Gewichtung der Varianzen

35 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 35 / 74 SeedSearch Suche nach Farbübergängen entlang von Geraden Ziel: Robustheit gegenüber Störungen und Laufzeitoptimierung Wir haben vier verschiedene Verfahren entwickelt

36 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 36 / 74 SeedSearch mit Fenster Robustheit gegenüber Störungen durch individuelle Aktivierungsgrenzen und Filterung in 3x3-Fenster Übergangsaktivierungen wsrbgrgeu

37 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 37 / 74 SeedSearch mit Überspringen Robustheit gegenüber Störungen durch Aktivierungen Überspringen von je 3 Pixeln bis Farbübergang erreicht, dann Backtracking Übergangsaktivierungen wsrbgrgeu

38 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 38 / 74 Ballfindung Merkmale –Form: Kreisscheibe (evtl. teilweise verdeckt) Nur bestimmter Radius möglich, abhängig von der Höhe im Bild –Farbe: Farbpartition rot (aber Reflexionen und Schattenwürfe)

39 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 39 / 74 Ballfindung Suche nach roten Farbclustern ausschließlich mit SeedPoints Berechne erwartete Ausmaße anhand der Höhe im Bild Sind die Ausmaße zu gering könnte der Ball teilweise verdeckt sein; Berechne Ballzentrum mit Dreiecksverfahren

40 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 40 / 74 Gegnererkennung Suche nach schwarzen Farbclustern ausschließlich mit SeedPoints Berechne erwartete Ausmaße anhand der Höhe im Bild

41 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 41 / 74 Sonar und Odometrie Alle 50 ms kann je einer der 8 Sonarsensoren abgerufen werden. Sonarinformationen werden für die Eigenpositionsfindung und Hindernis/Gegner-Erkennung verwendet Odometrieinformationen werden alle 50 ms abgefragt und für die Eigenpositionsfindung verwendet.

42 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 42 / 74 Tracking Abfrage der Auto-Tracking-Funktion der Kamera über die serielle Schnittstelle Verwendung für Ballfindung, Gegnererkennung und Eigenpositionsfindung (z.B. über Torerkennung) möglich

43 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 43 / 74 Sensorfusion Sensormesswerte sind immer fehlerbehaftet (Varianz) Sensormesswerte verschiedener Sensoren sowie verschiedener Zeitpunkte müssen zu einem optimalen Wert fusioniert werden Der Kalman Filter ist optimal im Sinne, dass die Varianz minimiert wird Kalman Filter Sensor Zeitstempel Messwert Varianz Letzter Wert Zeitstempel Messwert Varianz

44 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 44 / 74 Sensorfusion der Eigenpositionsfindung Bildverarbeitung Zeitstempel Messwert Varianz Sonar Zeitstempel Messwert Varianz Odometrie Zeitstempel Messwert Varianz Letzter Wert Zeitstempel Messwert Varianz Kalman Filter

45 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 45 / 74 Sensorfusion der Ballfindung Bildverarbeitung Zeitstempel Messwert Varianz Tracking Zeitstempel Messwert Varianz Kommunikation Zeitstempel Messwert Varianz Letzter Wert Zeitstempel Messwert Varianz Kalman Filter

46 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 46 / 74 Inhalts-Übersicht 1.Grundlagen 2.Hardware 3.Architektur des Projektes 4.Sensorverarbeitung u. Bildverarbeitung 5.Kommunikationssystem 6.Künstliche Intelligenz 7.Vorführung Bildverarbeitung und KI 8.Live-Vorführung auf dem Spielfeld

47 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 47 / 74 Gruppenkommunikationsprotokoll (GKP) Aufgaben des CommSystems –Ermöglicht Erweiterung der KI auf Teamplay –Bietet zusätzliche Daten für die Sensorfusion –Dient als zusätzlicher Sensor für Ballfindung und Gegnererkennung Client/Server-Architektur –CommServer / Software-Access-Point –CommClient als eigener Prozess

48 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 48 / 74 Gruppenkommunikationsprotokoll (GKP) Gruppenkommunikationsprotokoll –Anerkanntes Kommunikationsparadigma –Handling von Paketverlusten –Begrenzung der maximalen Verzögerung Probleme des IEEE 802.11 GKP –Keine Bestätigung der Broadcastnachrichten –Keine garantierte begrenzte Verzögerung –Keine Erkennung inaktiver Clients –Nur der Access-Point hat ein aktuelles Bild der Gruppe

49 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 49 / 74 Gruppenkommunikationsprotokoll (GKP) Datenpaket / Header (36 Bit) IdentID-Nummer des Clients SeqSequenznummer des Pakets AkkSeqNr des letzten erhaltenen Pakets ModeAktueller Modus (0: Broadcast, 1: Peer2Peer, 2: TimeSync)

50 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 50 / 74 Gruppenkommunikationsprotokoll (GKP) Datenpaket / Header (36 Bit) LoginLogin-Modus (0: No Login, 1: Login, 2: Relogin) SyncZeitsynchronisation (0: No Sync, 1: Sync) ClientsGesamtzahl der eingeloggten Clients ActiveActive-Flags aller max. 11 Clients

51 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 51 / 74 Gruppenkommunikationsprotokoll (GKP) Datenpaket / Nutzdaten –Zeitstempel –Eigenposition –Ballposition –Gegnerposition –Ballbesitz Beliebig erweiterbar um weitere Daten des Weltmodells und der KI

52 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 52 / 74 Gruppenkommunikationsprotokoll (GKP) Funktionsweise / Übersicht

53 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 53 / 74 Zeitsynchronisation Notwendig für verteilte (Echtzeit-) Anwendungen Notwendig zur Erkennung temporaler Abhängigkeiten in verteilten Systemen (WLAN) Zeitdifferenz –um einen gewissen Offset –durch asynchrone Systemuhren

54 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 54 / 74 Zeitsynchronisation Initiale Zeitsynchronisation –Ausgleich des Offsets beim Login –Übernahme der Zeit des CommServers Problem: Werteanpassung des im IEEE 802.11 Standard definierten Uhren- synchronisationsprotokolls –Doppelte Zeitpunkte –Zeitsprünge

55 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 55 / 74 Zeitsynchronisation Werteanpassung vs. Ratenanpassung

56 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 56 / 74 Zeitsynchronisation Implementierung einer ans WLAN angepassten Version eines für den CAN- Bus entwickelten Protokolls –Einsatz eines TSC-Timers (TimeStampCounter) –Einsatz einer Softwareuhr mit Ratenanpassung –Erweiterung des CommSystems um einen TimeSync-Modus

57 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 57 / 74 Gruppenkommunikationsprotokoll (GKP) Erweiterungsmöglichkeiten –Übertragung weiterer Informationen aus dem Weltmodell –Integration aller übertragenen Daten in die Sensorfusion und KI –Übertragung von KI-Flags für dynamisches Rollenverhalten

58 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 58 / 74 Inhalts-Übersicht 1.Grundlagen 2.Hardware 3.Architektur des Projektes 4.Sensorverarbeitung u. Bildverarbeitung 5.Kommunikationssystem 6.Künstliche Intelligenz 7.Vorführung Bildverarbeitung und KI 8.Live-Vorführung auf dem Spielfeld

59 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 59 / 74 Künstliche Intelligenz Kommandofusion Verhalten KommandoKommando Kommando KF V V K K Arbitrationstrategy KommandoKommando AS

60 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 60 / 74 Teamverhalten Kooperatives Verhalten Dezentrale Entscheidungen Informationsaustausch Rollenzuweisung

61 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 61 / 74 Simulator Ersetzt die reale Umgebung Ersetzt Sensoren und Aktoren Einsatz zum Test der KI Einsatz zum Test der Sensorverarbeitung

62 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 62 / 74 GrabBall

63 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 63 / 74 GrabBall - Teamverhalten

64 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 64 / 74 ScoreGoal

65 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 65 / 74 ScoreGoal - Teamverhalten

66 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 66 / 74 Pass

67 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 67 / 74 Positionsspiel

68 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 68 / 74 Torwartposition

69 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 69 / 74 Torwart GrabBall

70 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 70 / 74 Beispiel: 2 gegen 1

71 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 71 / 74 Beispiel: 2 gegen 1

72 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 72 / 74 Beispiel: 2 gegen 1

73 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 73 / 74 Beispiel: 2 gegen 1

74 Projektstudium RoboCup 2002/2003 - protai7 74 / 74 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!