Decision Making for Teams of Mobile Robots

In the past years, we could observe a significant amount of new robotic systems in science, industry, and everyday life. To reduce the complexity of these systems, the industry constructs robots that are designated for the execution of a specific task such as vacuum cleaning, autonomous driving, observation, or transportation operations. As a result, such robotic systems need to combine their capabilities to accomplish complex tasks that exceed the abilities of individual robots. However, to achieve emergent cooperative behavior, multi-robot systems require a decision process that copes with the communication challenges of the application domain. This work investigates a distributed multi-robot decision process, which addresses unreliable and transient communication. This process composed by five steps, which we embedded into the ALICA multi-agent coordination language guided by the PROViDE negotiation middleware. The first step encompasses the specification of the decision problem, which is an integral part of the ALICA implementation. In our decision process, we describe multi-robot problems by continuous nonlinear constraint satisfaction problems. The second step addresses the calculation of solution proposals for this problem specification. Here, we propose an efficient solution algorithm that integrates incomplete local search and interval propagation techniques into a satisfiability solver, which forms a satisfiability modulo theories (SMT) solver. In the third decision step, the PROViDE middleware replicates the solution proposals among the robots. This replication process is parameterized with a distribution method, which determines the consistency properties of the proposals. In a fourth step, we investigate the conflict resolution. Therefore, an acceptance method ensures that each robot supports one of the replicated proposals. As we integrated the conflict resolution into the replication process, a sound selection of the distribution and acceptance methods leads to an eventual convergence of the robot proposals. In order to avoid the execution of conflicting proposals, the last step comprises a decision method, which selects a proposal for implementation in case the conflict resolution fails. The evaluation of our work shows that the usage of incomplete solution techniques of the constraint satisfaction solver outperforms the runtime of other state-of-the-art approaches for many typical robotic problems. We further show by experimental setups and practical application in the RoboCup environment that our decision process is suitable for making quick decisions in the presence of packet loss and delay. Moreover, PROViDE requires less memory and bandwidth compared to other state-of-the-art middleware approaches.

Ein XML-basiertes Modell für synchrone Gruppenarbeit auf gemeinsamen Informationsräumen

In dieser Arbeit wird ein generisches Modell fuer synchrone Gruppenarbeit auf gemeinsamen Informationsraeumen entwickelt. Fuer die Entwicklung dieses Modells muessen die Grundfunktionen fuer Anwendungen der synchronen Gruppenarbeit realisiert werden. Neben der Modellierung des Datenraumes (Datenmodell) und der operationellen Schnittstelle (Interaktionsmodell), muessen Mechanismen fuer die Darstellung der Aktivitaeten der Gruppenmitglieder auf dem Informationsraum (Awareness), sowie fuer die Synchronisierung gleichzeitiger Zugriffe verschiedener Benutzer auf dem Datenraum realisiert werden (Nebenlaeufgkeitskontrolle). Das Grundproblem bei der Loesung der Nebenlaeufigkeit liegt bei der Aufgabe der Isolation aus den klassischen ACID-Transaktionen zu gunsten von Awareness. Die rapide Entwicklung von Techniken der mobilen Kommunikation ermoeglicht den Einsatz dieser Geraete fuer den Zugriff auf Daten im Internet. Durch UMTSund WLAN-Technologien koennen Mobilgeraete fuer Anwendungen ueber die reine Kommunikation hinaus eingesetzt werden. Eine natuerliche Folge dieser Entwicklung sind Anwendungen fuer die Zusammenarbeit mehrerer Benutzer. In der Arbeit wird daher auf die Unterstuetzung mobiler Geraete besonderen Wert gelegt. Die Interaktion der Benutzer auf den gemeinsamen Datenraum wird durch einfache Navigationsoperationen mit einem Cursor (Finger) realisiert, wobei der Datenraum durch XML-Dokumente dargestellt wird. Die Visualisierung basiert auf der Transformierung von XML-Dokumenten in andere XML-basierte Sprachen wie HTML oder SVG durch XSLT-Stylesheets. Awareness-Informationen werden, aehnlich dem Fokus/Nimbus-Modell, von der Interaktion der Benutzer und der Ermittlung der sichtbaren Objekte bei dem Benutzer hergeleitet. Fuer eine geeignete Kontrolle der Nebenlaeufigkeit wurde der Begriff der visuellen Transaktion eingefuehrt, wo die Auswirkungen einer Transaktion von anderen Benutzern (Transaktionen) beobachtet werden koennen. Die Synchronisierung basiert auf einem Sperrverfahren und der Einfuehrung der neuen W-Sperre und der Grundoperationen readV und writeV. Das Modell (Groupware-Server) wird in der Arbeit in einem Prototyp implementiert. Weiterhin wird eine Java-Anwendung sowohl auf einem Desktop PC als auch auf einem Pocket PC (iPAQ 3970) implementiert, welche die Einsetzbarkeit dieses Prototyps demonstriert.

Information Exchange and Fusion in Dynamic and Heterogeneous Distributed Environments

Context awareness, dynamic reconfiguration at runtime and heterogeneity are key characteristics of future distributed systems, particularly in ubiquitous and mobile computing scenarios. The main contributions of this dissertation are theoretical as well as architectural concepts facilitating information exchange and fusion in heterogeneous and dynamic distributed environments. Our main focus is on bridging the heterogeneity issues and, at the same time, considering uncertain, imprecise and unreliable sensor information in information fusion and reasoning approaches. A domain ontology is used to establish a common vocabulary for the exchanged information. We thereby explicitly support different representations for the same kind of information and provide Inter-Representation Operations that convert between them. Special account is taken of the conversion of associated meta-data that express uncertainty and impreciseness. The Unscented Transformation, for example, is applied to propagate Gaussian normal distributions across highly non-linear Inter-Representation Operations. Uncertain sensor information is fused using the Dempster-Shafer Theory of Evidence as it allows explicit modelling of partial and complete ignorance. We also show how to incorporate the Dempster-Shafer Theory of Evidence into probabilistic reasoning schemes such as Hidden Markov Models in order to be able to consider the uncertainty of sensor information when deriving high-level information from low-level data. For all these concepts we provide architectural support as a guideline for developers of innovative information exchange and fusion infrastructures that are particularly targeted at heterogeneous dynamic environments. Two case studies serve as proof of concept. The first case study focuses on heterogeneous autonomous robots that have to spontaneously form a cooperative team in order to achieve a common goal. The second case study is concerned with an approach for user activity recognition which serves as baseline for a context-aware adaptive application. Both case studies demonstrate the viability and strengths of the proposed solution and emphasize that the Dempster-Shafer Theory of Evidence should be preferred to pure probability theory in applications involving non-linear Inter-Representation Operations.

Rechtsfragen bei Geoportalen am Beispiel der Leitungsnetzauskunft des Zweckverbands Grevesmühlen

Der Beitrag entstand im Rahmen des Forschungsprojekts „Mobiler Tiefbau-Assistent mit rechtsverbindlicher und sicherer Daten-Aggregation für den Fernzugriff auf ad-hoc integrierbare leitungsnetzbezogene GeoGovernment-Services (TRUFFLE)“ und beleuchtet am Beispiel der Leitungsnetzauskunft des Zweckverbands Grevesmühlen zentrale Rechtsfragen, die sich bei der Errichtung eines Portals für den Abruf von digitalen Geoinformationen stellen.

Mobiles Lernen

In ihrer Arbeit "Mobiles Lernen. Analyse des Wissenschaftsprozesses der britischen und deutschsprachigen medienpädagogischen und erziehungswissenschaftlichen Mobile-Learning-Diskussion." zeichnet Judith Seipold die Phasen und Entwicklungslinien der bisherigen und naturwüchsigen Diskussion um das Mobile Lernen nach. Dabei eröffnet sie mit ihrer Analyse des vornehmlich britischen Wissenschaftsprozesses des Mobilen Lernens ab Beginn des 21. Jahrhunderts den Blick auf die Struktur der medienpädagogischen und erziehungswissenschaftlichen Mobile-Learning-Diskussion, auf deren Kontexte, Bezugspunkte, Perspektiven und theoretische Schwerpunkte, aber auch Erfolge und Problembereiche in der praktischen Umsetzung des Lernens mit Mobiltechnologien in formalisierten Lernkontexten wie dem des Schulunterrichts. Auf diese Weise liefert die Autorin eine Systematik, die nicht nur die britische Diskussion für die deutschsprachige Medienpädagogik verfügbar macht, sondern auch eine neue und systematisch begründete Reflexionsebene für eine aktuelle medienpädagogische Entwicklung – das Mobile Lernen – bildet. Zunächst widmet sich die Autorin der Analyse des Wissenschaftsprozesses der bisherigen britischen und teils auch der deutschsprachigen Mobile-Learning-Diskussion. Um diesen Prozess in seiner Struktur greifbar zu machen, skizziert sie die Bezugsdisziplinen, aus denen die medienpädagogische und erziehungswissenschaftliche Mobile-Learning-Forschung schöpft, arbeitet die Legitimationsbasis auf, auf die sich Mobiles Lernen stützt, zeichnet die historische Entwicklung der Diskussion nach, die sowohl Alltagsnutzung von Mobiltechnologien als auch den Fachdiskurs einschließt, und erläutert innerhalb ihres Modells der Phasen und Entwicklungslinien Mobilen Lernens Theorien, Konzepte und Modelle, die in der Mobile-Learning-Community als zentral für Analyse und Planung Mobilen Lernens erachtet werden. Konzepte und Modelle, die in der Mobile-Learning-Diskussion die Rolle der Lernenden in das Zentrum der Betrachtungen rücken und eine explizite Handlungsorientierung unterstützen, sind Kernbereich des theoriebasierten Teils der Arbeit. Überlegungen zu einer „Sozio-kulturellen Ökologie Mobilen Lernens“, zu „user-generated contexts“ und zu einer „kulturökologisch informierten Didaktik des Mobilen Lernens“ sind dabei sowohl reflektierende Einordnung aktueller Konzepte und Modelle als auch theoretische und konzeptionelle Basis für die praktische Umsetzung Mobilen Lernens. Um die Rolle der Handlungskompetenzen, kulturellen Praktiken und Strukturen der Lerner bei der Nutzung von Mobiltechnologien für Lernen analytisch zu fassen, finden im Praxis-Kapitel Planungs- und Analyseschemata unter Rückgriff auf Beispiele aus der Praxisforschung und der Implementierung mobilen Lernens in den Schulunterricht Anwendung. Ihre Erörterungen rahmt die Autorin abschließend kritisch und weist zum einen auf bildungspolitische, strukturelle und handlungspraktische Implikationen hin, die sich aus der Mobile-Learning-Diskussion ergeben; zum anderen lenkt sie das Augenmerk auf Gegensätze und Dialektiken des Mobilen Lernens, die sich im Spannungsfeld zwischen alltäglicher mobiler Mediennutzung und der teils theoretisch informierten schulischen Verwendung von Mobiltechnologien zum Lernen entfalten. Sie gilt es, im weiteren Verlauf der Diskussion zu hinterfragen und aufzulösen.

Medienbildungschancen von Risikolernern

Die medienpädagogische Förderung junger Menschen aus problematischen Familien, sozio-kulturellen Problemlagen, der sogenannten neuen Unterschicht bzw. die Förderung von Hauptschülern, insbesondere Jungen, ist das zentrale Anliegen dieses Buches. Das sind diejenigen Lerner, die die Anforderungen für einen qualifizierten Schulabschluss, die Basiskompetenzen im Sinne der PISA-Studien, nicht oder kaum erfüllen, Distanz zur Schule haben bzw. aus schwierigen sozio-ökonomischen Bevölkerungsgruppen stammen. Diese Gruppe, meist Jungen, häufig mit Migrationshintergrund, versucht der Begriff Risikolerner zu fassen. Die Frage nach Risikolernern eröffnet die Perspektive auf Kompetenzen und kulturelle Ressourcen, mit denen es Risikolernern gelingt, Medien selbstbestimmt und reflexiv für die eigene Persönlichkeitsentwicklung sowie Lebens- und Alltagsbewältigung aktiv zu nutzen (Niesyto, 2010, S. 315). Zentrales Thema und Fragestellung dieses Buches ist, welche Bildungschancen in den Mediennutzungsmustern der Risikolerner stecken. Aus theoretischer Perspektive geht es um die Frage, wie und mit welchen Mustern sich Risikolerner Medien als Kulturgüter aneignen. Die pädagogische Leitfrage, die an den Gedanken der Bildung geknüpft ist, lautet, wie die Entwicklung und damit das Lernen der Risikolerner mit ihren Mediennutzungsmustern, also ihren Aneignungsmustern in Bezug auf Medien, verbunden ist. Die medienpädagogische Frage nach den Chancen für Medienbildung von Risikolernern fundiert auf der Theorie der Medienbildung und auf dem kulturtheoretischen Modell der Sozio-kulturellen Ökologie, wie sie von der London Mobile Learning Group (LMLG; www.londonmobilelearning.net) entwickelt wurde (Pachler, Bachmair, & Cook, 2010). Auf der Grundlage dieser Theorien verortet diese Arbeit die Gruppe der Risikolerner im Zusammenhang von Lebenswelt und Lebenslagen und ordnet diese spezifische Gruppe von Lernern mit Bezug auf individuelle, schulische und gesellschaftliche Risiken ein. Die Gender-Perspektive öffnet den Blick für bestimmte jungenspezifische Aneignungsmuster im Zusammenhang mit Medien und eröffnet im nächsten Schritt die Möglichkeit, Bildungschancen speziell für Jungen zu formulieren. Ein genderbezogener Entwicklungsprozess, der die Lebenswelt der Jungen betrifft, ist die Auflösung hegemonialer Männlichkeit und die Transformation hin zu multioptionalen und situierten Männlichkeiten, die es von Jungen auszubalancieren gilt. Die Sozialstrukturanalyse der Soziologie dient als methodischer Zugang, um Risikolerner systematisch zu identifizieren und um mithilfe der sozialen Segmentierung entsprechende Ergebnisse in Bezug auf Mediennutzung und Alltagsbewältigung zu formulieren. Diese medienpädagogische Forschung ist eine Rekonstruktion der Mediennutzung über die Spuren der Artikulation und Aneignung, wie sie in den Konsumdaten repräsentiert sind, mit dem Ziel, die Aneignungsprozesse und die darin inhärenten Bildungschancen sichtbar zu machen. Risikolerner sind in der Perspektive gesellschaftlicher und alltagsästhetischer Strukturen ein eher hedonistischer, widerständiger Lifestyle, geprägt von sozialer Benachteiligung und von aktivem Risikoverhalten sowie von einer Mediennutzung, die schulischen Aneignungsformen eher entgegengesetzt ist. Die zentralen Ergebnisse und damit Chancen für Medienbildung der Risikolerner entstehen in drei Bereichen der Mediennutzungsmuster: im Downloaden, Speichern und Tauschen vielfältiger Formate; im (mobilen) Gaming; sowie im vielfältigen Produzieren und Verarbeiten von auditivem und visuellem Material. Mit diesen Mustern sind drei bedeutsame Bildungschancen verknüpft: durch Risikolerner generierte alternative Räume der Medienbildung, die strukturell entgegen der Lernwelt Schule ausgerichtet sind; das kommunikative Organisieren des Alltags und der Mediennutzung; sowie das Generieren von digitalen Sammlungen und Archiven als persönlicher Besitz.

Optimization-Based Robotic Manipulation for Safe Interaction with Human Operators

This thesis investigates a method for human-robot interaction (HRI) in order to uphold productivity of industrial robots like minimization of the shortest operation time, while ensuring human safety like collision avoidance. For solving such problems an online motion planning approach for robotic manipulators with HRI has been proposed. The approach is based on model predictive control (MPC) with embedded mixed integer programming. The planning strategies of the robotic manipulators mainly considered in the thesis are directly performed in the workspace for easy obstacle representation. The non-convex optimization problem is approximated by a mixed-integer program (MIP). It is further effectively reformulated such that the number of binary variables and the number of feasible integer solutions are drastically decreased. Safety-relevant regions, which are potentially occupied by the human operators, can be generated online by a proposed method based on hidden Markov models. In contrast to previous approaches, which derive predictions based on probability density functions in the form of single points, such as most likely or expected human positions, the proposed method computes safety-relevant subsets of the workspace as a region which is possibly occupied by the human at future instances of time. The method is further enhanced by combining reachability analysis to increase the prediction accuracy. These safety-relevant regions can subsequently serve as safety constraints when the motion is planned by optimization. This way one arrives at motion plans that are safe, i.e. plans that avoid collision with a probability not less than a predefined threshold. The developed methods have been successfully applied to a developed demonstrator, where an industrial robot works in the same space as a human operator. The task of the industrial robot is to drive its end-effector according to a nominal sequence of grippingmotion-releasing operations while no collision with a human arm occurs.

Relatedness in Evidence Networks

Einhergehend mit der Entwicklung und zunehmenden Verfügbarkeit des Internets hat sich die Art der Informationsbereitstellung und der Informationsbeschaffung deutlich geändert. Die einstmalige Trennung zwischen Publizist und Konsument wird durch kollaborative Anwendungen des sogenannten Web 2.0 aufgehoben, wo jeder Teilnehmer gleichsam Informationen bereitstellen und konsumieren kann. Zudem können Einträge anderer Teilnehmer erweitert, kommentiert oder diskutiert werden. Mit dem Social Web treten schließlich die sozialen Beziehungen und Interaktionen der Teilnehmer in den Vordergrund. Dank mobiler Endgeräte können zu jeder Zeit und an nahezu jedem Ort Nachrichten verschickt und gelesen werden, neue Bekannschaften gemacht oder der aktuelle Status dem virtuellen Freundeskreis mitgeteilt werden. Mit jeder Aktivität innerhalb einer solchen Applikation setzt sich ein Teilnehmer in Beziehung zu Datenobjekten und/oder anderen Teilnehmern. Dies kann explizit geschehen, indem z.B. ein Artikel geschrieben wird und per E-Mail an Freunde verschickt wird. Beziehungen zwischen Datenobjekten und Nutzern fallen aber auch implizit an, wenn z.B. die Profilseite eines anderen Teilnehmers aufgerufen wird oder wenn verschiedene Teilnehmer einen Artikel ähnlich bewerten. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein formaler Ansatz zur Analyse und Nutzbarmachung von Beziehungsstrukturen entwickelt, welcher auf solchen expliziten und impliziten Datenspuren aufbaut. In einem ersten Teil widmet sich diese Arbeit der Analyse von Beziehungen zwischen Nutzern in Applikationen des Social Web unter Anwendung von Methoden der sozialen Netzwerkanalyse. Innerhalb einer typischen sozialen Webanwendung haben Nutzer verschiedene Möglichkeiten zu interagieren. Aus jedem Interaktionsmuster werden Beziehungsstrukturen zwischen Nutzern abgeleitet. Der Vorteil der impliziten Nutzer-Interaktionen besteht darin, dass diese häufig vorkommen und quasi nebenbei im Betrieb des Systems abfallen. Jedoch ist anzunehmen, dass eine explizit angegebene Freundschaftsbeziehung eine stärkere Aussagekraft hat, als entsprechende implizite Interaktionen. Ein erster Schwerpunkt dieser Arbeit ist entsprechend der Vergleich verschiedener Beziehungsstrukturen innerhalb einer sozialen Webanwendung. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Analyse eines der weit verbreitetsten Profil-Attributen von Nutzern in sozialen Webanwendungen, dem Vornamen. Hierbei finden die im ersten Teil vorgestellten Verfahren und Analysen Anwendung, d.h. es werden Beziehungsnetzwerke für Namen aus Daten von sozialen Webanwendungen gewonnen und mit Methoden der sozialen Netzwerkanalyse untersucht. Mithilfe externer Beschreibungen von Vornamen werden semantische Ähnlichkeiten zwischen Namen bestimmt und mit jeweiligen strukturellen Ähnlichkeiten in den verschiedenen Beziehungsnetzwerken verglichen. Die Bestimmung von ähnlichen Namen entspricht in einer praktischen Anwendung der Suche von werdenden Eltern nach einem passenden Vornamen. Die Ergebnisse zu der Analyse von Namensbeziehungen sind die Grundlage für die Implementierung der Namenssuchmaschine Nameling, welche im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Mehr als 35.000 Nutzer griffen innerhalb der ersten sechs Monate nach Inbetriebnahme auf Nameling zu. Die hierbei anfallenden Nutzungsdaten wiederum geben Aufschluss über individuelle Vornamenspräferenzen der Anwender. Im Rahmen dieser Arbeit werden diese Nutzungsdaten vorgestellt und zur Bestimmung sowie Bewertung von personalisierten Vornamensempfehlungen verwendet. Abschließend werden Ansätze zur Diversifizierung von personalisierten Vornamensempfehlungen vorgestellt, welche statische Beziehungsnetzwerke für Namen mit den individuellen Nutzungsdaten verknüpft.

Visuelle Transaktionen: Kontrolle der Nebenläufigkeit bei synchroner Gruppenarbeit

Vortragsfolien eines im Mai 1999 auf einem Datenbankseminar (intern) gehaltenen Vortrags. Zusammenfassung: Der Vortrag fasst anschaulich einige der Themen zusammen, an denen das FG Datenbanken/Interaktive Systeme um das Jahr 2000 (und einige Jahre davor und danach) gearbeitet hat: Navigieren und Editieren von NF2-Tabellen mit dem DB-Editor ESCHER, das Fingerkonzept, Focus/Nimbus-Fragen, erweiterte Transaktionskonzepte für datenbankgestützte synchrone Gruppenarbeit. Die im Ausblick aufgestellte These, wonach visuelle Transaktionen ein attraktives Forschungsthema bleiben, dürfte auch heute noch gelten, zumal die Herausforderungen mobiler Geräte und neuer Interaktionsformen in den letzten Jahren hinzugekommen sind.

Gasleckortungsmethoden für autonome mobile Inspektionsroboter mit optischer Gasfernmesstechnik in industrieller Umgebung

In vielen Industrieanlagen werden verschiedenste Fluide in der Produktion eingesetzt, die bei einer Freisetzung, z. B. durch ihre toxische oder karzinogene Eigenschaft oder wegen der Brand- und Explosionsgefahr, sowohl die Umwelt als auch Investitionsgüter gefährden können. In Deutschland sind zur Risikominimierung die maximal zulässigen Emissionsmengen von Stoffen und Stoffgruppen in verschiedenen Umweltvorschriften festgelegt, wodurch zu deren Einhaltung eine ausreichende Überwachung aller relevanten Anlagenkomponenten seitens der Betreiber notwendig ist. Eine kontinuierliche und flächendeckende Überwachung der Anlagen ist aber weder personell, noch finanziell mit klassischer In-situ-Sensorik realisierbar. In der vorliegenden Arbeit wird die Problemstellung der autonomen mobilen Gasferndetektion und Gasleckortung in industrieller Umgebung mittels optischer Gasfernmesstechnik adressiert, die zum Teil im Rahmen des Verbundprojekts RoboGasInspector entstand. Neben der Beschreibung des verwendeten mobilen Robotersystems und der Sensorik, werden die eingesetzten Techniken zur Messdatenverarbeitung vorgestellt. Für die Leckortung, als Sonderfall im Inspektionsablauf, wurde die TriMax-Methode entwickelt, die zusätzlich durch einen Bayes-Klassifikator basierten Gasleckschätzer (Bayes classification based gas leak estimator (BeaGLE)) erweitert wurde, um die Erstellung von Leckhypothesen zu verbessern. Der BeaGLE basiert auf Techniken, die in der mobilen Robotik bei der Erstellung von digitalen Karten mittels Entfernungsmessungen genutzt werden. Die vorgestellten Strategien wurden in industrieller Umgebung mittels simulierter Lecks entwickelt und getestet. Zur Bestimmung der Strategieparameter wurden diverse Laborund Freifelduntersuchungen mit dem verwendeten Gasfernmessgerät durchgeführt. Die abschließenden Testergebnisse mit dem Gesamtsystem haben gezeigt, dass die automatische Gasdetektion und Gaslecksuche mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik innerhalb praktikabler Zeiten und mit hinreichender Präzision realisierbar sind. Die Gasdetektion und Gasleckortung mittels autonomer mobiler Roboter und optischer Gasfernmesstechnik ist noch ein junger Forschungszweig der industriellen Servicerobotik. In der abschließenden Diskussion der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass noch weitergehende, interessante Forschungs- und Entwicklungspotentiale erkennbar sind.