Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML
Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML

Simuationsbasierte Künstliche Intelligenz

KI-Spitzenforschung „Made in Germany“

Beschleunigte Planung und Entwicklung logistischer Robotersysteme dank Simulation und Künstlicher Intelligenz.

Schlüsseltechnologien- und Instrumente wie Künstliche Intelligenz und Simulation bieten einen vielversprechenden Lösungsansatz für die zahlreichen Herausforderungen rund um die Entwicklung und Planung logistischer Robotersysteme. Kombiniert ergeben sie das Potential einer Digitalen Realität - einer KI-basierten perfekten Simulation, die eine virtualisierte Entwicklung neuartiger autonomer Systeme ermöglicht - ohne Anpassungsaufwand an die Realität. Es entsteht das Konzept einer Simulationsbasierten-KI in einer Digitalen Realität.

Eine neue Klasse von Algortihmen

Die Simulationsbasiere-KI ist eine neue Klasse von Algorithmen, welche durch die Grundlage der starkparallelen Verarbeitung moderner Grafikkarten möglich wird. Basierend auf dieser Verarbeitung ist die Simulation hochkomplexer logistischer Vorgänge - auch physikalisch - in Echtzeit realisierbar. Hierzu wird das Verhalten der simulierten mit dem der realen Roboter- und Transportsysteme in einer speziellen Testumgebung – wie dem PACE Lab des IML - abgeglichen und das Simulationsmodell dadurch optimiert. Reduziert sich die Differenz von Modell und Realität, geht die Simulation in eine Digitale Realität für die KI über und der Roboter wird zum CPS-Zwilling (CPS = Cyber-Physisches System) der Simulation.

Veränderte Rahmenbedingungen können kontinuierlich und ohne großen Ressourcenaufwand während der Entwicklungszeit von Transportrobotern, in die Simulation integriert werden. Es entsteht ein Digitales Logistisches Kontinuum zwischen Entwicklung und Anwendung, welches die Entwicklungszeit solcher Systeme stark reduziert. Während bisher die Hard- und Softwareentwicklungen hochdynamischer Systeme nacheinander erfolgen musste, kann diese nun parallelisiert werden. 

© Fraunhofer IML

Aufbruch ins Digitale Kontinuum

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.. schließt den Kreis Entwicklung und Anwendung.

Grundlage der Simulationsbasieren-KI bildet dabei eine ganzheitliche Modellierung der Robotersysteme - eine Holistische Simulation entsteht. Dies beinhaltet einerseits die quasi-optimale Modellierung des physikalischen Verhaltens des Roboters, insbesondere der Motoren und Aktoren. Andererseits entstehen im Bereich der Sensorik neue Möglichkeiten. So lassen sich beispielsweise komplexe Sensoren wie mehrlagige Laser-Sensoren oder hochauflösende Kameras durch eine Raytracing-basierte Simulation abbilden. Neben der Simulation von Aktorik und Sensorik spielt zudem ebenfalls die Modellierung der Kommunikationsebenen eine zentrale Rolle. Indem die Kommunikation sowohl physikalisch als auch auf Protokoll-Ebene vollständig abgebildet wird, schließt sich der Kreis einer ganzheitlichen Betrachtungsweise. Durch diese Form der Holistischen Simulation auf drei Ebenen lässt sich somit eine gezielte Reduktion der Differenz von Modell und Realität erreichen - der Roboter zum CPS-Zwilling der Simulation.

© Fraunhofer IML

.. der Entwicklung entsteht, in dem Prozesse durch KI hochbeschleunigt ablaufen können.

Durch die Verschmelzung von Realität und Simulation entsteht ein Digitales Logistisches Kontinuum zwischen Entwicklung und Anwendung, welches die Entwicklungszeit solcher Systeme stark reduziert. Für die Entwicklung hochdynamischer Systeme bedeutet dies, dass Hard- und Softwareentwicklungen nun nicht mehr nacheinander erfolgen müssen, sondern stark parallelisiert erfolgen können. Auf Basis dieser ganzheitlichen Modellierung solcher Systeme in der Digitalen Realität bieten sich somit gänzlich neue Möglichkeiten in der Entwicklung. Auf der einen Seite lassen sich Hardwareentwicklungen und -Modifikationen anhand eines physikalisch validierten Modells vorab in der virtuellen Welt erproben. Andererseits können ebenso neue Algorithmen und Lernverfahren für diese Systeme mittels synthetischer Daten auf einem realitätsnahen Niveau ressourceneffizient trainiert und evaluiert werden. Das so entstehende Digitale Kontinuum im Kontext der Simulationsbasierten KI ermöglicht somit eine beschleunigte Planung und Entwicklung logistischer Robotersysteme auf ganzheitlicher Ebene.

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Nvidia GTC Konferenz

Auf Grundlage der Digitalen Realität mit Simulationsbasierter-KI ist es Forschenden der Silicon Economy im Projekt OpenDynamics unter kürzester Zeit gelungen eine zukunftsprägende Generation von autonom agierenden Transportrobotern zu bauen - evoBOT®  und »O3dyn«. Praktischen Einblicke in das Thema Simulationsbasierte KI haben die Forscher auf der GTC-Konferenz von NVIDIA im März demonstriert. 

Dr.-Ing. Sören Kerner und Julian Eßer geben Einblicke in die Simulationsbasierte-KI