Evolution von Laufrobotersteuerungen mit Genetischer Programmierung

Abstract

Die Evolution von Laufrobotersteuerungen mit Genetischer Programmierung wird anhandunterschiedlicher Roboterarchitekturen sowohl in der Simulation als auch mit realen Roboternuntersucht. Bedingt durch die lang andauernden Auswertungen von Laufprogrammen in Simulationund Realität werden die Methoden der Evolution - Evaluation, Selektion und Variation zusätzlicheiner gründlichen Analyse unterzogen, um den evolutionären Prozess zur automatischen Generierungvon optimierten Laufrobotersteuerungen möglichst zu beschleunigen.Im ersten Teil der Arbeit werden Grundlagen der Evolution von Laufroboterprogrammen erläutert. InKapitel 1 wird die Thematik der autonomen mobilen Roboter eingehend betrachtet, wobei dasTeilgebiet der Laufroboter und die speziell hierfür relevanten Problemstellungen dargestellt werden.Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit der Genetischen Programmierung, einem Spezialfall derEvolutionären Algorithmen. Die für die Arbeit benötigten Begriffe des evolutionären Rechnens werdenvereinbart, sowie die grundlegenden Mechanismen evolutionärer Algorithmen aufgezeigt. Hierbei wirddetailliert auf die besonderen Eigenschaften der Genetischen Programmierung eingegangen. Im drittenKapitel werden die mathematischen Grundlagen der Dynamiksimulation von Laufrobotern -Kinematik, Dynamik, Kollisionserkennung - dargestellt.Der zweite Teil der Arbeit führt in die Thematik der Evolution von Laufrobotersteuerungen ein. InKapitel 4 werden detailliert die generelle Zielsetzung und die verwendeten Methoden bei der Evolutionvon Robotersteuerungen beschrieben. Es wird hierbei besonders die Repräsentation vonKontrollstrukturen autonomer Roboter in Evolutionären Algorithmen und die Umsetzung auf reale odersimulierte Roboter diskutiert. Anschließend wird die Methodik für die Evolution vonLaufroboterprogrammen mit Genetischer Programmierung eingeführt. Die Notwendigkeit derEvolution mit simulierten und realen Robotern, sowie die Möglichkeit, beide Alternativen gleichzeitigzu verwenden, wird diskutiert.In Teil III der Arbeit werden die Experimente zur Evolution von Laufprogrammen präsentiert. InKapitel 7 wird das Laufzeitverhalten der Evolution von Laufroboterprogrammen untersucht. Kapitel 8zeigt die erfolgreiche Evolution von Laufprogrammen für eine Vielfalt von Roboterformen in derSimulation auf. Die Angabe eines Gütekriteriums ist essenziell für die Evolution von Laufmustern undwird eingehend diskutiert. Dargestellt werden die Auswirkungen verschiedener Varianten derFitnessfunktion auf die resultierenden Bewegungsmuster der Roboter. Im Kapitel 9 werden für einensowohl real als auch als Computermodell existierenden humanoiden Roboter Laufprogrammeevolviert. Die Ergebnisse von Evolutionsläufen mit vierbeinigen Laufrobotern werden in Kapitel 10vorgestellt. Die Resultate der Experimente unter Einbeziehung der interaktiven Evolution und derModellierung der Fitnessfunktion zeigen eine deutliche Verbesserung gegenüber demStandardalgorithmus.