Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

Left preference for sport tasks does not necessarily indicate left-handedness

In the elite domain of interactive sports, athletes who demonstrate a left preference (e.g., holding a weapon with the left hand in fencing or boxing in a ‘southpaw’ stance) seem overrepresented. Such excess indicates a performance advantage and was also interpreted as evidence in favour of frequency-dependent selection mechanisms to explain the maintenance of left-handedness in humans. To test for an overrepresentation, the incidence of athletes’ lateral preferences is typically compared with an expected ratio of left- to right-handedness in the normal population. However, the normal population reference values did not always relate to the sport-specific tasks of interest, which may limit the validity of reports of an excess of ‘left-oriented’ athletes. Here we sought to determine lateral preferences for various sport-specific tasks (e.g., baseball batting, boxing) in the normal population and to examine the relationship between these preferences and handedness. To this end, we asked 903 participants to indicate their lateral preferences for sport-specific and common tasks using a paper-based questionnaire. Lateral preferences varied considerably across the different sport tasks and we found high variation in the relationship between those preferences and handedness. In contrast to unimanual tasks (e.g., fencing or throwing), for bimanually controlled actions such as baseball batting, shooting in ice hockey or boxing the incidence of left preferences was considerably higher than expected from the proportion of left-handedness in the normal population and the relationship with handedness was relatively low. We conclude that (i) task-specific reference values are mandatory for reliably testing for an excess of athletes with a left preference, (ii) the term ‘handedness’ should be more cautiously used within the context of sport-related laterality research and (iii) observation of lateral preferences in sports may be of limited suitability for the verification of evolutionary theories of handedness.

The Effects of Visual Discriminability and Rotation Angle on 30-Month-Olds’ Search Performance in Spatial Rotation Tasks

Tracking objects that are hidden and then moved is a crucial ability related to object permanence, which develops across several stages in early childhood. In spatial rotation tasks, children observe a target object that is hidden in one of two or more containers before the containers are rotated around a fixed axis. Usually, 30-month-olds fail to find the hidden object after it was rotated by 180°. We examined whether visual discriminability of the containers improves 30-month-olds’ success in this task and whether children perform better after 90° than after 180° rotations. Two potential hiding containers with same or different colors were placed on a board that was rotated by 90° or 180° in a within-subjects design. Children (N D 29) performed above chance level in all four conditions. Their overall success in finding the object did not improve by differently colored containers. However, different colors prevented children from showing an inhibition bias in 90° rotations, that is, choosing the empty container more often when it was located close to them than when it was farther away: This bias emerged in the same colors condition but not in the different colors condition. Results are discussed in view of particular challenges that might facilitate or deteriorate spatial rotation tasks for young children.