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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit einer Vielzahl relativ
zu einer technischen Oberfläche
angeordneten, unabhängig
voneinander, eigenfortbewegungsfähigen
Plattformen sowie wenigstens eine relativ zur technischen Oberfläche angeordneten,
eigenfortbewegungsfähigen
Individualplattform.
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In
der Natur, insbesondere in der Tierwelt findet sich eine außergewöhnlich interessante
Form der Intelligenz, die sogenannte Schwarmintelligenz, die sich
im wesentlichen aus dem kollektiven Zusammenwirken einer Vielzahl
von Individuen ergibt, um beispielsweise ein gemeinsames Aufgabenziel
zu erreichen. So stellt sich bei Betrachtung beispielsweise einer
Ameisenkolonie heraus, dass die große Vielzahl von Ameisen bei
oberflächlicher
Betrachtungsweise zwar einem ungeordneten Chaos gleicht, jedoch
bei genauerem Hinsehen überraschend
koordinierte Bewegungsabläufe
erkennen lässt,
aufgrund derer beispielsweise eine aus einer großen Vielzahl bestehende Gruppe
von Ameisen in der Lage ist, ein größeres Blattstück in eine
vorbestimmte Richtung zu transportieren. Für eine einzelne Ameise ist
die gestellte Aufgabe sicherlich unmöglich zu bewältigen,
erst durch das kollektive Zusammenwirken einer Vielzahl einzelner
individueller Ameisen kann die komplexe Aufgabenstellung erfüllt werden.
Derartige in der Natur vorkommende Erscheinungen, die mit dem Begriff
der Schwarmintelligenz umschrieben werden können, stellen interessante
Herausforderungen an die künstliche
Nachbildung unter Einsatz von Robotern dar. So haben sich bereits
Forschungsgebiete etabliert, die sich mit der Untersuchung der Schwarmintelligenz
beschäftigen
und natürliche, gruppendynamische
Prozesse mittels algorithmischer Nachbildungen zu simulieren versuchen.
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Derzeit
werden prinzipiell zwei Möglichkeiten beschritten,
um das Verhalten von sogenannten Roboterschwärmen zu erforschen, wobei als
Roboterschwarm eine Vielzahl miteinander in Interaktion tretende
Roboter zu verstehen ist, die als einzelne künstliche Substitute für die in
der Natur vorkommenden Individuen stehen, die sich zu einem Schwarm zusammenschließen. Zum
einen werden virtuelle Welten generiert, um das Verhalten eines
Schwarms auf Basis mathematischer Modelle im Rechner zu simulieren.
Zum anderen werden physische Roboter eingesetzt, die sich in einer
realen Umgebung zu recht finden müssen. Gerade im zweitgenannten
Fall sind aufgrund der Miniaturisierung von Sensorik, Aktorik und
Steuerungseinheiten große
Fortschritte erzielt worden, um miniaturisierte Roboterpopulationen zu erzeugen,
durch die ein großes
Potenzial zur Entwicklung von mobilen Roboterschwärmen geschaffen
wird, die in Größe und Intelligenz
skalierbar sind.
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Aus
einem Beitrag von Balch, I., Arkin, C., "Behavior-Based Formation Control for
Multirobot Teams",
In: IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS AND AUTOMATION, VOL. 14, NO. 6,
1998, 5. 926–939
ist eine Anordnung zur koordinierten Bewegung einer Vielzahl eigenfortbewegungsfähiger Plattformen
zu entnehmen. Dabei ist ein Bewegungsablauf unter allen Plattformen
vorgesehen, bei dem der Aufenthaltsort einer Individualplattform
als Maßgabe für die Bewegung
aller übrigen
Plattformen dient. Hierbei verfügen
die einzelnen Plattformen jeweils über Sensoreinheiten, bspw.
GPS-Modul, mit denen der Aufenthaltsort der Individualplattform
bestimmbar ist. Ferner können
Formationen vorgegeben werden, so dass jede Plattform eine bestimmte
relative Position aufweist, die aufgrund vorgegebener Bewegungsregeln
eingenommen wird. Dementsprechend verfugen die verwendeten Plattformen über Empfänger, die
Steuersignale für
die Eigenfortbewegung empfangen, wobei insbesondere die Position
der Individualplattform vorgegeben werden muss.
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Aus
dem Beitrag von Mondada, F., Guignard, A., SWARM-BOT: From Concept
to Implementation. In: Proc. of the 2003 IEEE/RSJ Intl. Conference
on Intelligent Robots and Systems, Las Vegas, Nevada, S. 1626–1631, ist
ein weiteres Konzept zur Koordination von Bewegungsablaufen eigenfortbewegungsfähiger Plattformen
bekannt. Die dabei verwendeten Plattformen unterscheiden sich von
denen der vorstehenden Druckschrift, lassen sich aber offensichtlich
mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren betreiben.
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Zur
Untersuchung und Nachbildung des aus der Natur bekannten Phänomens der
Schwarmintelligenz ist es jedoch nicht von vornherein vorauszusetzen,
dass sich alle Individuen untereinander kommunikativ auszutauschen
vermögen,
um letztlich koordinierte Bewegungsabläufe auszuüben.
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So
besteht die Aufgabe darin, die hochkomplexe und regelungstechnisch äußerst komplizierte Thematik
der künstlichen
Umsetzung des Phänomens
der Schwarmintelligenz mit Demonstrationsmitteln in einer einfach
vermittelbaren Weise auch Nichtfachleuten verständlich zu machen. Derartige Mittel
sollen nicht nur dem ausschließlichen
Zwecke der Demonstration, wie beispielsweise im Einsatz auf Messen
oder Ausstellungen dienen, sondern insbesondere auch für die Ausbildung
und Lehre als Lehrunterlagen geeignet sein. Schließlich sollen
die Mittel auch einen spielerischen Einsatz ermöglichen, um bereits Kindern
und Jugendlichen ein spielerisches Erlernen und Erfahren der hochkomplexen
Thematik der Schwarmintelligenz zu vermitteln. Die hierfür vorzunehmenden
Massnahmen sollen möglichst
technisch einfach und kostengünstig
herstellbar sein.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
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Die
lösungsgemäße Anordnung
weist eine Vielzahl relativ zu einer technischen Oberfläche angeordneten,
unabhängig
voneinander, eigenfortbewegungsfähigen
Plattformen sowie wenigstens eine relativ zur technischen Oberfläche angeordneten,
eigenfortbewegungsfähigen
Individualplattform auf, wobei die wenigstens eine Individualplattform
eine Empfangseinheit für
den Empfang von ihre Eigenfortbewegung längs der technischen Oberfläche bestimmenden
Steuerbefehlen vorsieht. Die Steuerbefehle sind von wenigstens einer
plattformungebundenen Steuereinheit absetzbar. Die einzelnen Plattformen verfügen jeweils über wenigstens
eine Sensoreinheit, mit der der Aufenthaltsort der wenigstens einen
Individualplattform bestimmbar ist sowie über jeweils eine plattformeigene
Steuereinheit, die unter Maßgabe
wenigstens einer vorgebbaren Bewegungsregel und unter Berücksichtigung
des Aufenthaltsortes der wenigstens einen Individualplattform die
Bewegung der jeweils eigenfortbewegungsfähigen Plattform eigenständig bestimmt.
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Sowohl
die eigenfortbewegungsfähigen Plattformen
als auch die wenigstens eine eigenfortbewegungsfähige Individualplattform sind
in Form kleiner mobiler Roboter ausgebildet, die über ein Chassis,
eine entsprechende Energieversorgung, eine drahtlose Kommunikationseinheit, über einen entsprechenden
Antrieb mit Antriebsmitteln, wie beispielsweise Antriebsrädern, sowie
letztlich über
eine entsprechende Sensorik verfügen.
Derartige miniaturisierte Robotereinheiten sind als Einzelprodukte
auf dem Markt erhältlich.
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Um
den Schwarm bzw. die Vielzahl der einzelnen eigenfortbewegungsfähigen Plattformen
für die
lösungsgemäße Anordnung
entsprechend zu konfektionieren, bedarf es wenigstens einer Sensoreinheit,
mit der jede einzelne Plattform die sich auf der technischen Oberfläche fortbewegende
Individualplattform zu erkennen und deren Position zu bestimmen
vermag. Die Bestimmung der Position bzw. des Aufenthaltsortes der
wenigstens einen Individualplattform vermittels der Sensoreinheit
an einer eigenfortbewegungsfähigen
Plattform erfolgt entweder im Wege einer Relativpeilung zwischen
der detektierenden Plattform und der detektierten Individualplattform
oder im Wege einer Ermittlung der absoluten Koordinaten des Aufenthaltsortes
der Individualplattform relativ zur technischen Oberfläche, auf
der sich die Individualplattform nebst der Vielzahl der einzelnen
eigenfortbewegungsfähigen
Plattformen bewegen.
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Je
nach Wahl der vorgebbaren Bewegungsregel sowie der Berücksichtigung
des ermittelten Aufenthaltsortes der Individualplattform, werden
Steuerbefehle in der plattformeigenen Steuereinheit generiert, die
die Bewegung der jeweils eigenfortbewegungsfähigen Plattform bestimmen.
Sieht die vorgebbare Bewegungsregel beispielsweise die Flucht vor der
detektierten Individualplattform vor, so bewegt sich die eigenfortbewegungsfähige Plattform
längs einer
sich von der Individualplattform entfernenden Bewegungstrajektorie.
Im umgekehrten Fall, in dem die Bewegungsregel einen Verfolgungsvorgang
vorsieht, gilt es von der plattformeigenen Steuereinheit Steuerbefehle
abzusetzen, so dass sich die Plattform der Individualplattform auf
möglichst
direktem Wege annähert.
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Um
eine Interaktion zwischen einer Person und der Anordnung zu gewährleisten
sieht zumindest die Individualplattform eine Empfangseinheit vor, durch
die nutzerseitige Steuerbefehle empfangen werden können, durch
die die Eigenfortbewegung der Individualplattform beeinflusst werden
kann. Je nach den gewählten
Bewegungsregeln, die die Eigenbeweglichkeit der Vielzahl der Plattformen
bestimmt, sind von der Person geeignete Steuerbefehle abzusetzen,
nach denen sich die Individualplattform zu bewegen hat. Im Falle
einer Verfolgungssituation, wie vorstehend erwähnt, gilt es die Individualplattform
derart anzusteuern, dass sie von der Vielzahl der einzelnen Plattformen
nicht erreicht bzw. durch direkten Kontakt nicht gefangen werden
können.
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Die
sich durch die vorgebbare Bewegungsregel ergebende Eigendynamik
der Vielzahl der einzelnen eigenfortbewegungsfähigen Plattformen führt bereits
zu einer primitiven Form eines interaktiven gruppendynamischen Prozesses,
der sich unter den eigenfortbewegungsfähigen Plattformen ausbildet. Die
Interaktionsfähigkeit
zwischen den einzelnen Plattformen kann in vorteilhafter Weise dadurch
geschaffen und verbessert werden, indem die einzelnen eigenfortbewegungsfähigen Plattformen über zusätzliche
Sensoren und Kommunikationseinheiten verfügen, die es den einzelnen Plattformen
ermöglichen untereinander
Informationen auszutauschen sowie sich gegenseitig zu detektieren.
Durch entsprechend komplexe Auslegung der die Eigenbewegung der einzelnen
Plattform bestimmenden Bewegungsregel kann das Potential der schier
unerschöpflichen Schwarmintelligenz
dem Nutzer bzw. einem interessierten Personenkreis unmittelbar vor
Augen geführt werden.
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So
sieht eine bevorzugte Ausführungsform der
Anordnung die zusätzliche
Ausstattung der einzelnen Plattformen mit modular ausgebildeten
Zusatzsensoreinheiten vor, die einzeln, vorzugsweise über Steckverbindungen
auf die Plattformen aufsetzbar und integrierbar sind. Vorzugsweise
eignen sich als Zusatzsensoreinheiten optische Sensoren, akustische
Sensoren, Abstandssensoren, Induktionssensoren um nur einige zu
nennen. So dienen die vorstehend genannten Zusatzsensoreinheiten
insbesondere zur Detektion der jede einzelne Plattform umgebenden
Umgebung, wie beispielsweise die Erfassung von Objekten, die sich
auf bzw. oberhalb der technischen Oberfläche befinden. Auch kann die technische
Oberfläche
selbst über
Markierungsmittel, beispielsweise in Form entsprechend kolorierter Flächenbereiche
verfügen,
deren Erfassung bzw. Unterscheidung von anders kolorierten Oberflächenbereichen
mit Hilfe geeigneter, auf die technische Oberfläche gerichteter optischer Sensoren
möglich ist.
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So
sieht eine weitere Ausbildungsform der Anordnung das Vorsehen bestimmter
voneinander abgrenzbarer Flächenbereiche
auf der technischen Oberfläche
vor, die beispielsweise durch unterschiedliche Kolorierungen voneinander
unterscheidbar sind. So bedeuten bspw. erste Bereiche, dass diese
ausschließlich
von den Plattformen nicht überfahren
werden dürfen.
Zweite Bereiche, die sich von den ersten Oberflächenbereichen farblich unterscheiden,
dürfen
beispielsweise ausschließlich
von der wenigstens einen Individualplattform nicht überfahren
werden und schließlich
dritte Bereiche, die sich wiederum farblich von den ersten und zweiten Bereichen
unterscheiden, dürfen
weder von den Plattformen noch von der wenigstens einen Individualplattform überfahren
werden. Diesbezügliche,
die Bewegungsfreiheit der einzelnen Plattformen sowie der wenigstens
einen Individualplattform eingrenzende Rahmenbedingungen führen in
evidenter Weise zu einer unmittelbaren Beeinflussung der sich unter der
Vielzahl der eigenfortbewegungsfähigen
Plattformen ausbildenden Bewegungsdynamik.
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Alternativ
oder in Kombination zu der durch unterschiedliche Farbgebung voneinander
unterscheidbare Oberflächenbereiche
längs der
technischen Oberfläche
dienen unmittelbar unter der technischen Oberfläche entsprechend vorgesehene
metallische Mittel, beispielsweise in Form von Drahtverläufen, die
mit Hilfe geeigneter Induktionssensoren von den Plattformen und/oder
von der wenigstens einen Individualplattform berührungslos erfassbar sind, ebenfalls
zu Zwecken einer lateralen Begrenzung bestimmter Oberflächenbereiche
auf der technischen Oberfläche.
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Auch
ist es möglich,
jeweiligen begrenzten Oberflächenbereichen
neben den vorstehend erwähnten
Restrektionen zusätzlich
Geschwindigkeitsinformationen zuzuordnen, dergestalt, dass die Fortbewegungsgeschwindigkeit
der Plattformen und der wenigstens einen Individualplattform längs eines
ersten Oberflächenbereiches
langsamer zu erfolgen hat, als in einem anderen Oberflächenbereich.
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Da
vorzugsweise sowohl die vielen eigenfortbewegungsfähigen Plattformen
sowie auch die wenigstens eine Individualplattform jeweils über wenigstens
eine berührungslos
arbeitende Kommunikationseinheit verfügen, die auch als Datenschnittstelle dient,
können
in einzelnen Plattformen sowie der wenigstens einen Individualplattform
bestimmte durch einen Nutzer der Anordnung ausgewählte Parameter und
Bewegungsregeln sowie Steuerbefehle übermittelt werden, so dass
die Anordnung in einem hohen Grade interaktionsfähig ist. Mit Hilfe einer Plattform ungebundenen
Steuereinheit die im einfachsten Fall ein herkömmlicher Rechner ist, beispielsweise
ein PC, oder zu Zwecken einer komfortablen Bedienung als Steuer- oder Spielkonsole
ausgebildet ist, können individuelle
Fallszenarien ausgewählt
werden, unter denen sich koordinierte Bewegungsabläufe unter
der Vielzahl der einzelnen eigenfortbewegungsfähigen Plattformen ausbilden
können.
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Die
lösungsgemäße Anordnung
dient nicht nur der Veranschaulichung und Demonstration der künstlichen
Nachbildung der in der Natur vorkommenden Erscheinung der Schwarmintelligenz
unter einer großen
Vielzahl einzelner Individuen, besonders vorzugsweise eignet sich
die lösungsgemäße Anordnung
auch als Lehrmittel im Einsatz in Schulen und Universitäten. Darüber hinaus
eröffnet
die lösungsgemäße Anordnung
die Möglichkeit
als Spiel- und Unterhaltungswerkzeug für Kinder, Jugendliche und Erwachsene
zu dienen, das auf der Grundlage eines Roboterschwarmes aufgebaut
ist.
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Spielinhalt
ist es, eine bestimmte Spielvorgabe bzw. gestellte Aufgabe mit einem
Roboter zu erfüllen,
dessen Beweglichkeit vom Spieler mit Hilfe einer entsprechenden
Konsole berührungsfrei
gesteuert wird. Hierzu ist die vorstehend bezeichnete Individualplattform
vorgesehen, die vom Spieler abgesandte Steuerbefehle in entsprechende
Bewegungsmuster umsetzt.
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Vor
Beginn des Spiels wählt
der Spieler eine bestimmte Bewegungsregel aus, die sämtliche übrigen Robotereinheiten,
die den vorstehend bezeichneten eigenfortbewegungsfähigen Plattformen
entsprechen, zu befolgen haben. Je nach den zur Verfügung stehenden
Bewegungsregeln wird der Spielinhalt sowie der Schwierigkeitsgrad
mit dem bestimmte Spielaufgaben durch einen Spieler zu erfüllen sind, festgelegt.
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Da
der Spieler lediglich durch die Steuerbefehle zur Navigation der
Individualplattform am Spiel teilnimmt aber sonst keinen Einfluss
auf die Bewegungsabläufe
sämtlicher
anderen Roboter hat, gewinnt das Spiel eine eigene Dynamik, die
durch fest programmierte Systeme nicht erreicht werden kann.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
mehr als nur einen durch einen Spieler steuerbaren Roboter in Form
einer Individualplattform vorzusehen, der je nach Spielinhalt gegenüber dem
Roboterschwarm zu navigieren ist. Auf diese Weise gelingt es, eine
beliebige Anzahl von Spielern miteinander und gegeneinander antreten
zu lassen.
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Eine
einfachste Spielvariante sieht lediglich einen einzigen Spieler
vor, dessen zugeordneter Roboter gegen den restlichen Roboterschwarm
entsprechend einer Spielaufgabe zu navigieren ist.
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Auch
ist es denkbar, den Roboterschwarm derart zu programmieren, dass
die koordinierten Bewegungsabläufe
sämtlicher,
einem Roboterschwarm zugehöriger
Robotereinheiten einem Leitroboter folgen, der wiederum von einem
Spieler kontrolliert wird. Denkbar wäre eine Spielausführung, bei
der zwei oder mehrere Roboterschwärme mit jeweils zugeordneten
Leitrobotern miteinander bzw. gegeneinander zu bewegen sind. Je
nach gestellter Spielaufgabe sind dem Variantenreichtum keinerlei
Grenzen gesetzt. So sind grundsätzlich
folgende Spielszenarien vorstellbar: Flucht aus einem Gefängnis oder
einem Dschungel, Exploration oder Schatzsuche in einem unbekannten
Gebiet, Gefechte, Umzingeln, beispielsweise das Bewachen von Herden,
Rennen, wie beispielsweise Hindernisrennen oder Strassenrennen etc..