Verhaltensbasierte Architekturen

Verhaltensbasierte Architekturen entstanden in den 1980er Jahren. Ihre komponentenbasierte, verteilte Natur gepaart mit der Fähigkeit, große Netzwerke zu bilden, indem zahlreiche ziemlich einfache Verhaltensweisen kombiniert werden, ergibt mehrere Vorteile gegenüber klassischen, typischerweise monolithischen Systemen.

Zum Beispiel kann ein einzelnes Element eines verhaltensbasierten Systems leicht selbst entwickelt, implementiert und getestet werden, bevor es in das Zielsystem integriert wird. Darüber hinaus kann ein Verhalten leicht in verschiedenen Systemen verwendet werden, was die Wiederverwendung von Funktionalität erleichtert. Dies ist in monolithischen Architekturen meist schwieriger oder gar unmöglich.

Aufgrund der vielen Vorteile werden verhaltensbasierte Komponenten weitgehend in den Steuerungssystemen der am Robotics Research Lab (RRLab) entwickelten Fahrzeuge eingesetzt.

Die vehaltensbasierte Architektur iB2C

Mit dem Ziel, die besten Elemente existierender Architekturen zu kombinieren und deren Defizite zu überwinden, wird am RRLab die verhaltensbasierte Architektur iB2C (Integrated Behavior-Based Control) entwickelt.

Der iB2C wurde mit dem Robotik-Framework MCA2-Kl (Modular Controller Architecture 2 - Niederlassung Kaiserslautern) implementiert, mit dem alle Roboter des Labors gesteuert werden.

Grundelemente

 

Die zentrale Komponente des iB2C ist das Verhalten. Alle Verhaltensweisen haben eine gemeinsame Schnittstelle, bestehend aus Stimulation s (zur schrittweisen Aktivierung), Inhibition i (zur schrittweisen Deaktivierung), Aktivität a (der Grad der Beeinflussung, die das Verhalten beabsichtigt hat) und Zielbewertung r (die Zufriedenheit des Verhaltens mit der momentanen Situation). s und i werden zur Aktivierung kombiniert, die den maximalen Einfluss des Verhaltens innerhalb eines Netzwerks definiert. Diese Werte sind auf [0,1] begrenzt.

Neben der gemeinsamen Schnittstelle kann ein Verhalten spezielle Steuerein- und -ausgänge (e und u) aufweisen, die durch die verhaltensspezifische Übertragungsfunktion F verbunden sind: u = F (e, ι). Es gibt keine Beschränkung für F, d. H. es kann alles von einer einfachen Funktion bis hin zu einer komplexen Berechnung realisiert werden.

Die iB2C verfügt über ein spezielles Verschmelzungsverhalten, mit dem die Ergebnisse mehrerer konkurrierender Verhaltensweisen in Abhängigkeit von ihren Aktivitäten zusammengeführt werden können. Drei verschiedene Fusionsmodi stehen zur Verfügung:

  1. Maximale Fusion: Der Kontrollwert des aktivsten Verhaltens wird weitergeleitet.
  2. Gewichtete Durchschnittsfusion: Die Kontrollwerte der konkurrierenden Verhaltensweisen werden mit der Aktivität des entsprechenden Verhaltens gewichtet.
  3. Gewichtete Summenfusion: Die Kontrollwerte der konkurrierenden Verhaltensweisen werden entsprechend ihrer Aktivität summiert.

Erweiterungen für die Realisierung von Sequenzen

Den meisten verhaltensbasierten Architekturen fehlt die direkte Unterstützung für die Realisierung komplexer, deliberativer Funktionalitäten auf hohen Navigationsschichten. Daher können Entwickler von High-Level-Navigationssystemen nicht von den zahlreichen Vorteilen verhaltensbasierter Ansätze profitieren. Die Beschränkung auf hauptsächlich reaktive Aufgaben ist jedoch nicht notwendig.

Daher wurde dem iB2C ein spezielles Koordinationsverhalten, der conditional behaviour stimulator (CBS), hinzugefügt, mit dem Sequenzen von Verhaltensaktivierungen realisiert werden können. Die Aktivität der CBS hängt von den Werten einer Reihe spezieller Ports ab. An diese Ports werden Aktivitäts- oder Zielbewertungen anderer Verhaltensweisen angeschlossen. Daher wird ein CBS abhängig von den Aktivitäten oder Zielbewertungen von verbundenen Verhaltensweisen aktiv oder inaktiv. Durch die Kaskadierung von CBS können beliebig komplexe Verhaltensaktivitätssequenzen erzeugt werden.

Die Unterstützung für Verhaltensaktivitätssequenzen ist in Armbrust11a beschrieben. Wie es verwendet werden kann, um Moore-Automaten als Verhaltensnetzwerke zu realisieren, zeigt Armbrust12.

Verhalten Netzwerkanalyse

Aufgrund der verteilten Natur verhaltensbasierter Systeme ist die ordnungsgemäße Verbindung von Verhaltensweisen innerhalb eines Netzwerks für den korrekten Betrieb eines Systems entscheidend. Daher wird die Analyse und Verifizierung von Verhaltensnetzwerken derzeit am RRLab untersucht.

Eine erste Arbeit befasst sich mit der Erkennung und Verfolgung von Verhaltensaktivitätsoszillationen. Es ist in Wilhelm09 beschrieben. Die aktuelle Forschung befasst sich mit der Modellierung von Verhaltensnetzwerken wie finite-state Automaten (mit endlichen Zuständen) und der anschließenden Verifikation mittels Modellprüfung.

Relevante Veröffentlichungen

2018

Thorsten Ropertz, Patrick Wolf, Karsten Berns
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Behavior-Based Low-Level Control for (semi-) Autonomous Vehicles in Rough Terrain
Proceedings of ISR 2018: 50th International Symposium on Robotics, VDE VERLAG GMBH, pp. 386--393, 2018, June 20--21, Munich, Germany, ISBN: 978-3-8007-4699-6
Patrick Wolf, Thorsten Ropertz, Karsten Berns, Martin Thul, Peter Wetzel, Achim Vogt
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Behavior-Based Control for Safe and Robust Navigation of an Unimog in Off-Road Environments
Commercial Vehicle Technology 2018. Proceedings of the 5th Commercial Vehicle Technology Symposium -- CVT 2018, Springer Vieweg, pp. 63--76, Commercial Vehicle Alliance Kaiserslautern (CVA), 2018, March 13--15, Kaiserslautern, Germany, ISBN 978-3-658-21299-5, DOI 10.1007/978-3-658-21300-8
Thorsten Ropertz, Patrick Wolf, Karsten Berns, Jochen Hirth, Peter Decker
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Cooperation and Communication of Autonomous Tandem Rollers in Street Construction Scenarios
Commercial Vehicle Technology 2018. Proceedings of the 5th Commercial Vehicle Technology Symposium -- CVT 2018, Springer Vieweg, pp. 25--36, Commercial Vehicle Alliance Kaiserslautern (CVA), 2018, March 13--15, Kaiserslautern, Germany, ISBN 978-3-658-21299-5, DOI 10.1007/978-3-658-21300-8
Sebastian Müller, Patrick Wolf, Karsten Berns, Peter Liggesmeyer
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Combining Behavior-Based and Contract-Based Control Architectures for Behavior Optimization of Networked Autonomous Vehicles in Unstructured Environments
Commercial Vehicle Technology 2018. Proceedings of the 5th Commercial Vehicle Technology Symposium -- CVT 2018, Springer Vieweg, pp. 324--335, Commercial Vehicle Alliance Kaiserslautern (CVA), 2018, March 13--15, Kaiserslautern, Germany, ISBN 978-3-658-21299-5, DOI 10.1007/978-3-658-21300-8

2017

Matthias Kremer
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Behavior-Based Navigation for Stuck Vehicles in Rough Off-Road Environments
Bachelor's Thesis, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2017, October 05, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Patrick Wolf
Felix Hasselwander
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Object Tracking and Movement Prediction
Bachelor's Thesis, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2017, September 20, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Patrick Wolf
Simon Velden
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Behavior-Based Gear Control for Rough Off-Road Environments
Project Report, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2017, September 29, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Patrick Wolf
Thorsten Ropertz, Patrick Wolf, Karsten Berns
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Quality-Based Behavior-Based Control for Autonomous Robots in Rough Environments
Proceedings of the 14th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics (ICINCO 2017), SCITEPRESS -- Science and Technology Publications, Lda, vol. 1, pp. 513--524, INSTICC, 2017, July 26--28, Madrid, Spain, ISBN: 978-989-758-263-9; DOI: 10.5220/0006481405130524
Tobias Groll, Steffen Hemer, Thorsten Ropertz, Karsten Berns
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A Behavior-based Architecture for Excavation Tasks
34th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC), pp. 1005-1012, International Association for Automation and Robotics in Construction, 2017, June 28-July 1
Dennis Meckel
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Strukturanalyse von Verhaltensnetzen auf Meta-Signal-Ebene
Bachelor's Thesis, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2017, January 9, unpublished

2016

Alexander Klein
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Behavior-Based Cooperation Strategies for Construction Machines
Master's Thesis, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2016, December 01, Kaiserslautern, Germany, unpublished, supervised by Thorsten Ropertz
Patrick Vatter
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Structured Design of Quality-Sensitive Behavior-Based Perception Systems
Master's Thesis, Robotics Research Lab, University of Kaiserslautern, 2016, April 29, unpublished, supervised by Thorsten Ropertz
Thorsten Ropertz, Karsten Berns, Xian Li, Klaus Schneider
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Verification of Behavior-Based Control Systems in their Physical Environment
Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen (MBMV), University of Freiburg, pp. 128-137, 2016, Freiburg, Germany

2015

Lisa Kiekbusch, Christopher Armbrust, Karsten Berns
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Formal Verification of Behaviour Networks Including Sensor Failures
in Robotics and Autonomous Systems, vol. 74, Part B, pp. 331-339, 2015, December, DOI:10.1016/j.robot.2015.08.002
Christopher Armbrust
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Design and Verification of Behaviour-Based Systems Realising Task Sequences
Verlag Dr. Hut, München, 2015, http://www.dr.hut-verlag.de/978-3-8439-2261-6.html ISBN-13: 978-3-8439-2261-6
Christopher Armbrust, Lisa Kiekbusch, Thorsten Ropertz, Karsten Berns
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Soft Robot Control with a Behaviour-Based Architecture
Soft Robotics - Transferring Theory to Application, Springer-Verlag, pp. 81--91, 2015

2014

Christopher Armbrust
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Design and Verification of Behaviour-Based Systems Realising Task Sequences
Robotics Research Lab, Department of Computer Science, University of Kaiserslautern, 2014, November 26, http://www.dr.hut-verlag.de/978-3-8439-2261-6.html
Lisa Kiekbusch, Christopher Armbrust, Karsten Berns
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Formal Verification of Behaviour Networks Including Hardware Failures
Proceedings of the 13th International Conference on Intelligent Autonomous Systems (IAS-13), 2014, July 15-19, Padova, Italy
Daniel Schmidt, Karsten Berns
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Behavior-based trajectory adaptation based on bucket-volume estimation
Commercial Vehicle Technology 2014 -- Proceedings of the 3rd Commercial Vehicle Technology Symposium (CVT 2014), pp. 347-356, 2014, March 11-13, Kaiserslautern, Germany
Thorsten Ropertz, Karsten Berns
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Verification of Behavior-Based Networks - Using Satisfiability Modulo Theories
Proceedings for the joint conference of ISR 2014 and ROBOTIK 2014, VDE VERLAG GMBH, pp. 669--674, 2014

2013

Fabian Göckel
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Development of a behavior-based obstacle collision avoidance for the autonomous excavator THOR
Bachelors Thesis, Robotics Research Lab, Department of Computer Sciences, University of Kaiserslautern, 2013, October
Christopher Armbrust, Lisa Kiekbusch, Thorsten Ropertz, Karsten Berns
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Quantitative Aspects of Behaviour Network Verification
Proceedings of the 26th Canadian Conference on Artificial Intelligence, Springer, vol. 7884, 2013, May 28-31, Regina, Saskatchewan, Canada
Christopher Armbrust, Lisa Kiekbusch, Thorsten Ropertz, Karsten Berns
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Tool-Assisted Verification of Behaviour Networks
Proceedings of the 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2013), pp. 1813--1820, 2013, May 6-10, Karlsruhe, Germany

2012

Christopher Armbrust, Lisa Kiekbusch, Thorsten Ropertz, Karsten Berns
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Verification of Behaviour Networks Using Finite-State Automata
KI 2012: Advances in Artificial Intelligence, Springer, 2012, September 24-27, Saarbrücken, Germany, http://www.shaker.de/de/content/catalogue/index.asp?lang=de&ID=8&ISBN=978-3-8440-0798-5
Christopher Armbrust, Daniel Schmidt, Karsten Berns
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Generating Behaviour Networks from Finite-State Machines
Proceedings of the 7th German Conference on Robotics (ROBOTIK 2012), 2012, May 22--25

2011

Christopher Armbrust, Lisa Kiekbusch, Karsten Berns
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Using Behaviour Activity Sequences for Motion Generation and Situation Recognition
Proceedings of the 8th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics (ICINCO 2011), SciTePress - Science and Technology Publications, pp. 120-127, Institute for Systems and Technologies of Information, Control and Communication (INSTICC), 2011, July 28-31, Noordwijkerhout, The Netherlands
Christopher Armbrust, Martin Proetzsch, Karsten Berns
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Behaviour-Based Off-Road Robot Navigation
in KI - Künstliche Intelligenz, Springer Berlin / Heidelberg, vol. 25, no. 2, pp. 155-160, 2011, May, this publication is available at http://dx.doi.org/10.1007/s13218-011-0090-2

2010

Christopher Armbrust, Martin Proetzsch, Bernd-Helge Schäfer, Karsten Berns
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A Behaviour-based Integration of Fully Autonomous, Semi-autonomous and Tele-operated Control Modes for an Off-road Robot
Proceedings of the 2nd IFAC Symposium on Telematics Applications, IFAC, 2010, October 5-8, Politehnica University, Timisoara, Romania, invited paper
Martin Proetzsch, Tobias Luksch, Karsten Berns
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Development of Complex Robotic Systems Using the Behavior-Based Control Architecture iB2C
in Robotics and Autonomous Systems, vol. 58, no. 1, pp. 46--67, 2010, January, doi:10.1016/j.robot.2009.07.027
Martin Proetzsch
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Development Process for Complex Behavior-Based Robot Control Systems
Verlag Dr. Hut, 2010, http://www.dr.hut-verlag.de/978-3-86853-626-3.html
Martin Proetzsch, Fabian Zimmermann, Robert Eschbach, Johannes Kloos, Karsten Berns
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A Systematic Testing Approach for Autonomous Mobile Robots Using Domain-Specific Languages
KI 2010: Advances in Artificial Intelligence, Springer Berlin / Heidelberg, vol. 6359, pp. 317-324, 2010

2009

Max Reichardt, Lisa Wilhelm, Martin Proetzsch, Karsten Berns
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Applications of Visualization Technology in Robotics Software Development
4th Human Computer Interaction and Visualization (HCIV) Workshop 2009, 2009, March~2, Kaiserslautern, Germany
Lisa Wilhelm, Martin Proetzsch, Karsten Berns
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Oscillation Analysis in Behavior-Based Robot Architectures
Autonome Mobile Systeme, Springer, pp. 121-128, 2009

2007

Martin Proetzsch, Tobias Luksch, Karsten Berns
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The Behaviour-Based Control Architecture iB2C for Complex Robotic Systems
Proceedings of the 30th Annual German Conference on Artificial Intelligence (KI), pp. 494--497, 2007, September 10-13, Osnabrück, Germany
Martin Proetzsch, Karsten Berns, T. Schuele, K. Schneider
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Formal Verification of Safety Behaviours of the Outdoor Robot RAVON
Proceedings of the Fourth International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics (ICINCO 2007), INSTICC Press, pp. 157-164, 2007, May 9-12, Angers, France
M. Proetzsch, T. Luksch, K. Berns
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The Behaviour-Based Control Architecture iB2C for Complex Robotic Systems (extended version)
2007

2006

J. Albiez, T. Luksch, K. Berns, R. Dillmann
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A Behaviour Network Concept for Controlling Walking Machines
Adaptive Motion of Animals and Machines, Springer Verlag, pp. 237-244, 2006

2005

Bernd-Helge Schäfer, Martin Proetzsch, Karsten Berns
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Extension Approach for the Behaviour-Based Control System of the Outdoor Robot RAVON
Autonome Mobile Systeme, pp. 123-129, 2005, December 8-9, Stuttgart, Germany
M. Proetzsch, T. Luksch, K. Berns
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Fault-Tolerant Behavior-Based Motion Control for Offroad Navigation
Proceedings of the 20th IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pp. 4697-4702 , 2005, April 18-22, Barcelona, Spain

2004

M. Proetzsch, T. Luksch, K. Berns
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Behaviour-based Motion Control for Offroad Navigation
International Workshop on Humanitarian Demining (HUDEM), 2004, June 16-18, Brussels, Belgium
A. Halme, T. Luksch, S. Ylönen
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Biomimicing motion control of the WorkPartner robot
in Industrial Robot (IFR), vol. Vol. 31, no. 2, pp. pp.209-217, 2004

2003

T. Luksch, S. Ylönen, A. Halme
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Koordination von Lokomotion und Manipulatorbewegung des Roboters WorkPartner
Autonome Mobile Systeme (AMS), 2003, December 4-5, Karlsruhe
B. Gassmann, L. Frommberger, R. Dillmann, K. Berns
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Improving the walking behaviour of a legged robot using a three-dimensional environment model
6th International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR), pp. 319-326, 2003, September 17-19, Catania, Italy
Tobias Luksch, Sami Ylönen, Aarne Halme
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Combined Motion Control of the Platform and the Manipulator of WorkPartner
6th International Conference on Climbing and Walking Robots (CLAWAR), pp. 111--118, 2003, September 17-19, Catania, Italy
Jan Albiez, Tobias Luksch, Karsten Berns, Rüdiger Dillmann
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A Behaviour Network Concept for Controlling Walking Machines
2nd International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines (AMAM), 2003, March 4-8, Kyoto, Japan
J. Albiez, T. Luksch, K. Berns, R. Dillmann
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Reactive reflex-based control for a four-legged walking machine
in Robotics and Autonomous Systems, Elsevier, 2003
Jan Albiez, Tobias Luksch, Karsten Berns, Rüdiger Dillmann
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An Activation-Based Behavior Control Architecture for Walking Machines
in The International Journal on Robotics Research, Sage Publications, vol. 22, pp. 203-211, 2003