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Schwärme – steering behaviors

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Präsentation zum Thema: "Schwärme – steering behaviors"—  Präsentation transkript:

1 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

2 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Tierreich – Schwärme, Schulen, Herden… Wanderheuschrecken Mrd. Dreistachelige Stichlinge Mrd. Springböcke Monarchfalter – 100 Mio. Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

3 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Schwärme regelbasiertes Verhalten in dezentralen homogenen Systemen Wechselwirkung vieler einzelner Denkprozesse können zur Effizienzsteigerung des Gesamtsystems Leistungverschlechterung des Gesamtsystems führen Untersuchungsansatz der Wissenschaft ‚Unter welchen Bedingungen führt Interaktion von Individuen zur Effizienzsteigerung bzw. Leistungsverschlechterung des Gesamtsystems?‘ Untersuchungsstrategie Simulation des komplexen Verhaltens von Fisch- und Vogelschwärmen Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

4 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Schwärme – historischer Abriss biologisch – bis weit ins 20. Jh. – schwieriges Problem bis in die 30er Jahre – Annahme von Gedankenübertragung von Vögeln 1965 – These über Sphären Bedürfnis eines Individduums in die Sphäre des anderen einzudringen erklärt Schwarmzusammenhalt, jedoch keine komplexen Schwarmverhalten 1985 – Susan Amkraut & Micheal Girard „Eurhythmy“ Animationssequenz eines Taubenschwarms anziehende Kraft – Zusammenhalt der Gruppe abstoßende Kraft – verhindert Zusammenstoß der Tiere Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

5 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Schwärme – historischer Abriss II 1987 – Computerwissenschaftler Craig Reynolds Beobachtung von Amselschwärmen in der Mittagspause Suche nach einem Führungstier - erfolglos Schlussfolgerung Schwarmverhalten ist Überlagerung der Bewegung einzelner Tiere Einzeltiere folgen einfachen Regeln Schwarm – Modell Grundlage heutiger autonomer Robotersysteme bis heute Erweiterung, Verfeinerung des Schwarmmodells zahlreiche Verwendung in Film- und Spieleindustrie Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

6 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Schwarmmodell (nach Craig Reynolds) große Anzahl künstlicher Objekte (Boids) deren Bewegungsmuster Schwärmen ähneln Grundmodell basiert auf drei einfachen Regeln Reaktionen eines Boids auf Position und Geschwindigkeit seiner Nachbarn Boids einzelne simulierte Kreatur Punkt-Masse – Objekte mit Position und Geschwindigkeit Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

7 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Schwarmmodell (nach Craig Reynolds) II Separation (Kollisionvermeidung) Abstand zu anderen Individuen halten (Menschen in der Fußgängerzone) meist nur unmittelbares Umfeld Beachtung anderer in eigener Bewegungsbahn Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

8 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Schwarmmodell (nach Craig Reynolds) III Alignment (Ausrichten) Versuch sich dem Verhalten einer Gruppe anzugleichen Angleichen des Richtungs- vektors an den Durchschnitts- richtungsvektor der Umgebung Nach Anpassung vollzieht die Gruppe Richtungsänderungen als Einheit Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

9 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Schwarmmodell (nach Craig Reynolds) IV Cohesion (Zusammenhalt) zuständig für den zusam- menhalt einer Gruppe Zusteuerung auf die durschnittliche Position der Umgebung nur in Verbindung mit Separation, sonst steuern alle auf einen Punkt zu Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

10 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Schwarmmodell (nach Craig Reynolds) V Flocking Verhaltensweise, die es Individuen erlaubt, sich einer Gruppe anzuschließen Kombination von separation, cohesion und alignment Gewichtung der Steuersignale beeinflusst Form des Schwarms Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

11 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Steering Behaviors logische Weiterentwicklung des Boids-Modell zusätzliche Steuerungsverhalten z.B. Regeln zum Hindernisausweichen wieder ausschließlich Strategien basierend auf lokalen Informationen „Steering Behaviors“ – Craig Reynolds, 1999 Verhaltensweisen für die unterste Steuerungsebene koplexer autonomer Systeme „Steering Behaviors“ – Robin Green, 2000 enstand als Teil der Entwicklung des Spiels „Dungeon Master 2“ Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

12 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Steering Behaviors II Grundlegende Steuerfertigkeiten eines einzelnen Individuums seek and flee pursuit, evasion and offset pursuit arrival obstacle avoidance path following Steuerfertigkeiten eines Gruppenmitglieds separation cohesion alignment flocking leader following Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

13 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Steering Behaviors IIa seek and flee Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

14 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Steering Behaviors IIb arrival Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

15 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Steering Behaviors IIc obstacle avoidance Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

16 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Steering Behaviors IId path following Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

17 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Steering Behaviors IIe leader following Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

18 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Steering Behaviors IIf queuing Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

19 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Simulation mit steering behaviors action selection Ziele – Strategien – Planung steering Pfadberechnung - Steuerung locomotion Animation - Bewegung Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

20 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors action selection (‚mind‘) vorgegebenes Regelwerk Gehirn des autonomen Fahrzeugs Erzeugen des endgültigen Steuervektors einzelne Verhalten (‚Rolle der Sensoren‘) Möglichkeit zur zweckdienlichen Analyse der Umwelt Erzeugen eines eigenen Steuervektors für das entsprechende Verhalten gewichtetes Zusammensetzen der Einzelvektoren Verschiedenste Implemetierungen möglich z.B. simpleMind – priorityMind Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

21 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors action Selection – simpleMind einfachste Art der Implementierung Zuordnung: Verhalten Einfluss Beispiel Produkte aus Einzelvektoren und deren Einfluss Addition der Produkte zum Engültigen Steuervektor (evtl. Normierung) Separation oder ObstacleAvoidance oft höhere Priorität Verhalten Einfluss Separation 4 Cohesion 5 Alignment 3 Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

22 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors action Selection – priorityMind Unterdrücken einzelner Verhalten möglich Einfluss (siehe simpleMind) entspricht prozentualem Anteil an der maximal einsetzbaren Kraft des Fahrzeugs priorityMind verteilt die maximal verwendbare Kraft an die Einzelverhalten Beispiel Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert

23 Schwärme – steering behaviors
Aktorik, Lernen, Motion Tracking, diverse Roboter HK Kognitive Robotik II Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz, Institut für Informatik, HU-Berlin Schwärme – steering behaviors Quellen - Links „steering behaviors“ Craig Reynolds: „Boids“, „steering behaviors“ Swarm - Distributed programming of autonomous robots Roboter-Herden und simuliertes Schwarmverhalten Behrang Alavi, Ferry Bachmann, Frank Holfert


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