index-research.htm


Forschung: Maschinelles Sehen und intelligente Roboter

Übersicht


Arbeitsschwerpunkte


Wichtige Meilensteine



Übersicht

Die Erforschung und Realisierung "sehender" Maschinen und "intelligenter" Roboter bildet seit 1977 einen Arbeitsschwerpunkt der Forschungsgruppe Intelligente Roboter (bis 2003 unter der Bezeichnung "Institut für Meßtechnik"). Ziel ist zum einen ein grundlegendes Verständnis des Sehens, der Autonomie und der Intelligenz von technischen Systemen, und zum anderen die Realisierung intelligenter sehender Roboter. Diese sollen in der stets unvorhersehbaren und veränderlichen realen Welt bestehen und selbständig oder in Kooperation mit Menschen vielfältige Aufgaben erfüllen.

Die Ausrichtung der Arbeiten wurde von Anfang an wesentlich durch den Grundsatz bestimmt, daß alle Forschungsergebnisse zum Nachweis ihrer Gültigkeit in praxisnahen Experimenten in der realen Umwelt überprüft und demonstriert werden müssen. Diese Arbeitsweise ist sehr aufwendig, hat aber gegenüber reinen Simulationen den gravierenden Vorteil, zu weitaus solideren und in der Praxis belastbareren Ergebnissen zu führen. Zur Anwendungsnähe und Praxisrelevanz unserer Forschungsarbeiten hat auch beigetragen, daß wir sie zum großen Teil zusammen mit industriellen Partnern durchgeführt haben.

Alle unsere Roboter setzen das maschinelle Sehen als leistungsfähige Sensorik ein. Die von Videokameras gelieferten Bilder werden in Echtzeit von Mehrprozessorsystemen ausgewertet. Diese können aus einfachen Mikroprozessoren, digitalen Signalprozessoren oder Transputern bestehen. Eine spezielle von uns entwickelte Architektur verleiht diesen Systemen eine so hohe Leistungsfähigkeit, daß Echtzeitsehen schon vor Jahrzehnten mit den damals verfügbaren 8-Bit-Mikroprozessoren möglich wurde.  Kommunikationsengpässe werden durch breitbandige Videobusse und leistungsfähige Linkverbindungen zwischen den Prozessoren vermieden. Bei Einsatz moderner Hardware in Verbindung mit der von uns entwickelten effizienten und robusten Merkmalsextraktion auf der Basis der gesteuerten Korrelation sowie einer situationsangepaßten Blickrichtungs- und Belichtungssteuerung verleihen diese Systeme unseren Robotern einen hoch entwickelten Gesichtssinn.

Zurück zum Anfang der Seite

 

Arbeitsschwerpunkte

  • Architektur und Realisierung von Echtzeit-Bildverarbeitungssystemen 
  • Bewegungsstereo für die Entfernungsmessung und die räumliche Deutung von Bildfolgen 
  • Kalibrierungsfreie Roboter (für die kein quantitativ korrektes Modell ihrer selbst oder ihrer Umgebung benötigt wird) 
  • Objekt- und verhaltensbasiertes Stereosehen als Grundlage der Steuerung solcher Roboter durch direkten Übergang von Sensordaten zu Steuerbefehlen 
  • Systemarchitektur für verhaltensbasierte mobile Roboter 
  • Erkennung dynamisch veränderlicher Situationen in Echtzeit als Grundlage sowohl der Verhaltensauswahl von Robotern als auch der Mensch-Maschine-Kommunikation 
  • Maschinelles Lernen, z.B. für die Objekterkennung, die Bewegungssteuerung, den Erwerb von Kenntnissen bei der Navigation und die Interaktion mit Menschen
  • Integration und Test komplexer Robotersysteme
  • Verläßlichkeit komplexer Robotersysteme und Langzeitversuche
Zurück zum Anfang der Seite

 

Wichtige Meilensteine

  • 1980    Echtzeit-Bildverarbeitungssystem BVV 1; seine neuartige, später als "objektorientiert" bezeichnete Architektur ermöglichte es, unter Verwendung gewöhnlicher 8-Bit-Mikroprozesoren mit 3 MHz Taktfrequenz, dynamische Szenen in Echtzeit zu interpretieren (Zykluszeit 40 ms). So gewonnene Daten sind geeignet, Maschinen ähnlich schnell wie ein Mensch zu steuern.
  • 1982    Einsatz des BVV 1 bei der Stabilisierung von invertierten Pendeln von Längen bis herab zu 40 cm mit dem Rechnersehen (Echtzeit-Bildverarbeitung) als einziger Sensormodalität
  • 1983    Echtzeit-Bildverarbeitungssystem BVV 2; gleiche Architektur wie das BVV 1, aber 10fache Leistung durch 16-Bit-Mikroprozesoren mit 8 MHz Taktfrequenz
  • 1985    Gesteuerte ("intelligente") Korrelation, ein außerordentlich effizientes, flexibles und robustes Verfahren zur Extraktion von Merkmalen aus gestörten Bildern, dessen Eigenschaften in mancher Hinsicht denen des menschlichen Sichtsystems entsprechen
  • 1987    Sichtsystem für das weltweit schnellste vollautonome Straßenfahrzeug (96 km/h) auf der Grundlage des Echtzeit-Bildverarbeitungssystems BVV 2 und der gesteuerten Korrelation (Zykluszeit der Bildverarbeitung: 17 ms)
  • 1989    Echtzeit-Bildverarbeitungssystem BVV 3; gleiche Architektur wie das BVV 1, aber 1000fache Leistung durch 32-Bit-Mikroprozesoren mit 20 MHz Taktfrequenz und speziell für die Merkmalsextraktion entwickelte Coprozessoren
  • 1989    Sichtgesteuerter mobiler Roboter ATHENE mit einer neuartigen situationsorientierten verhaltensbasierten Systemarchitektur und der Fähigkeit zur Kartierung von Korridornetzen und zur genauen Selbstlokalisation relativ zu Landmarken und Hindernissen
  • 1990    Neuartige Form des Bewegungsstereo für hochgenaue Abstandsmessungen in Echtzeit unter Benutzung einer unkalibrierten Videokamera
  • 1992    Sichtsystem zur Echtzeiterkennung von Verkehrssituationen, das es einem fahrerlosen Fahrzeug ermöglicht, mit normaler Geschwindigkeit am Autobahnverkehr teilzunehmen; Grundlage: Echtzeit-Bildverarbeitungssystem BVV 3 und zahlreiche Erkennungsmodule für im Straßenverkehr relevante Objekte
  • 1994    Sichtgesteuerter mobiler Roboter ATHENE II  mit der Fähigkeit zur autonomen auftragsbezogenen Navigation in Gebäuden sowie zur Erkundung und Kartierung von Korridornetzen  
  • 1995    Kalibrierungsfreier sichtgesteuerter Roboter (ortsfester Manipulatorarm) mit großer Robustheit gegen unvorhergesehene Veränderungen seiner Charakteristika, z.B. der Kameraanordnung
  • 1998    Anthropomorpher mobiler Roboter HERMES mit hochmodularer Hard- und Softwarearchitektur, basierend auf Wahrnehmung, Situationserkennung und Fertigkeiten, auf der Hannover Messe Industrie vorgeführt
  • 1999    Demonstration der sichtgesteuerten Handhabung verschiedenster Objekte sowie des Lernens, Hinzulernens und Vergessens mit einem kalibrierungsfreien Roboter
  • 2000    HERMES ist zu einer Vielzahl von Transport- und anderen Dienstleistungen fähig, und er kann situationsabhängig durch gesprochene oder geschriebene natürliche Sprache, wahlweise auch in Verbindung mit Gesten, Berührungen und visueller Wahrnehmung, mit Menschen kommunizieren. 
  • 2002    HERMES hat sich zu einem vielseitigen Assistenz-Roboter entwickelt und einen Langzeittest von 6 Monaten zum Nachweis seiner Verläßlichkeit erfolgreich abgeschlossen. In der Sonderausstellung “Computer.Brain” im Heinz Nixdorf MuseumsForum in Paderborn, dem weltweit größten Computermuseum, in der intelligente Roboter aus aller Welt gezeigt wurden, plauderte er mit Besuchern auf Deutsch, Englisch und Französisch, beantwortete Fragen und führte von den Besuchern gestellte Aufgaben aus. Er überstand die tägliche schwere Arbeit (normalerweise 2 Stunden; manchmal bis zu 12 Stunden pro Tag), weit weg von seinen “Vätern”, ohne leichten Zugang zu Wartung und Reparaturen, und mit Menschen, die nicht viel von Robotertechnologie verstanden. Nach Aussage des Museumspersonals war HERMES einer der wenigen Experimentalroboter, die regelmäßig in Aktion gezeigt werden konnten, und unter ihnen bezeichneten sie ihn als den verlässlichsten und intelligentesten.


Zurück zum Anfang der Seite