-
Curs 8
Controlul robotilor mobili
Fuziune senzoriala fuziunea
-
de dorit ca obiectivele s se modifice odat cu schimbarea
preferinelor sistemului de control i a noilor date introduse n
sistem. Sistemul de control poate fi autorizat n gestiunea tuturor
gradelor de libertate ale sistemului , grade reprezentate de
ansamblul resurselor controlabile.
Sistemul i utilizeaz resursele n principal pentru percepie i
aciune, iar n contextul utilizrii unui proces de fuziune senzorial,
acesta va fi inclus n sistemul de control. Un astfel de sistem
poate fi descompus ca n figura 2.2 b. Aici sistemul autocontrolat a
fost descompus ntr-un control al obiectivelor sistemului, LU1
proces de fuziune senzorial i o posibil baz de cunotine (o baz de
date cu funcia de memorie a sistemului, coninnd date i informaii
despre mediu i
activitile sale inerente, precum i informaii despre starea
sistemului n sine). Att controlul obiectivelor ct si procesul de
fuziune pot accesa baza de date i resursele sistemului putnd
modifica baza de cunotine
Sistem generic
Resurse 1--- ---'
Figura 2.2 (a) Sistem generic cu performan dependent de
interaciunea cu mediul (b) Sistem generic cu proces de
fuziune senzorial inclus
Baza de cunotine poate conine att informaii statice - de
exemplu: legi fizice, doctrine militare, sau planuri ale unor
ncperi - pe care procesul de fuziune nu poate s le modifice, ct i
informa/ii dinamice - de exemplu locaiile unor obiecte din mediu i
relaii dintre ele pe care procesul de fuziune le poate modifica dac
constat apariia de informaii complementare sau contradictorii.
Aceast influen dintre controlul obiectivelor sistemului i procesul
fuziLmii
subliniaz posibilitile controlului de accesare a informaiei
rezultatului procesului fuziunii, de inhibare a acestuia, (de
exemplu: pentru achiziionarea de resurse), sau de configurare.
Caracteristicile mediului Gradul de dificultate al implementrii
i managementului unui proces de fuziune specific este
puternic dependent de caracteristicile mediului relevant pe care
ii observ. Prin mediu relevant se nelege un subset al mediului
pentru care procesul de fuziune a fost proiectat s-l interpreteze.
Dac mediul relevant este foarte restricionat n comparaie cu mediul
complet, caracteristicile celor dou medii pot varia substanial.
Pentru acest punct al prezentrii, vom numi agent subiectiv acel
agent care conine procesul de fuziLme i observ un mediu oarecare.
Denumirea sublineaz faptul c
proprietile mediului sunt puternic dependente de agentul
respectiv. Mediul pe care l percepe i-l interpreteaz agentul poate
fi - n funcie de aplicaie- simplu i accesibil dar n mod frecvent se
"bucur" de urmtoarele proprieti:
Inaccesibil: starea complet a mediului relevant nu poate fi
determinat de agent. Mediul relevant este adesea complex n mod
inerent i nu este posibil proiectarea de senzori omnipoteni care s
determine starea exact a acestuia. O tabl de ah, este complet
accesibil, n timp ce mediul unui joc de pocker este inaccesibil
Nedeterminist: Rezultatul sau valoarea aci unii real izate n
mediu nu este determinist. Mediul este tipic nedete rminist dac
rezultatul unei aciuni din mediu este dependent de unele variabile
stochastice. Mai frecvent, din perspectiva unei agent subiectiv
mediul apare nondeterminist dac este n acelasi timp i
inaccesibil.
Nonepisodic: Aciuni le realizate de agentul subiectiv afecteaz
evoluia viitoare a mediului. De exemplu ahul i alte jocuri cu
parteneri sunt nonepisodice deoarece exist oponeni care vor
rspunde mic1ilor agentului. Astfel aciunea realizat ntr-un
episod (acesta const n perceperea
-
i selecia ac\iunii unui agent) poate afecta selecia n episoade
viitoare . n schimb procesul selectrii unei aciuni ntr-un mediu
nonepisodic ar trebui s considere influena aciuni l or n episoadele
v iitoare.
Dinamic: configuraia mediului se va schimba n timp independent
de agentul subiectiv. ntr-un mediu static, agentul ar putea
considera alegerea de aciuni aproape indefinit. n mediile
dinamice,
totui, o deliberare ndelungat va duce la luarea deciziei bazate
pe informaie perimat. Mediul este semi-dinamic din perspectiva
agentului subiectiv dac starea nu se modific n timp, d ar se
schimb performana agentului. Continuu: caracteristi cile
mediului pot fi continue, de exemplu poziia, vi te~a, sau
temperatura. Multiagent: mediul este populat cu fiine umane si ali
robo\i.
Necesitatea fuziunii senzoriale Sistemele care implic metode de
fuziune senzorial estimeaz ca rezultat o sum de beneficii
care conduc la superioritatea fa~ de sistemele unisenzor. O
msurtoare dat de un sensor fi z ic n general suport urmtoare le
probleme:
Deprivare senwrialii: Cderea unui element al senzorului provoac
o pierdere a percepiei obiectului monitorizat prin msurtori.
Acoperire spatial si temporal limitat : uzual un senzor
individual acoper doar o regiune restrns. Unii senzori necesit un
timp de set-up specific, pentru a realiza i transmite o msurtoare,
n acest mod fiind limitat frecventa maxim a msurtorilor.
Imprecizie: msurtorile provenite de la senzori individuali sunt
limitate la preciz ia elementu lui sensibil utilizat.
/11certit11di11e: aceasta n contrast cu imprecizia, depinde
ntr-o msur mai mare de obiectul observaiei dect de dispozitivul de
observare (senzorul). Incertitudinea apare n contextul lipsei
caracteristicilor (ex. ocluzii). situaie n care senzorul este
incapabil s msoare toate atributele relevante ale percepiei, sau n
cazul n care observaia este ambigu. Un s istem cu senzor unic este
incapabil s reduc ince1titudinca din percepia realizat din cauza
observaiei sale limitate asupra obiectului.
Ca exemplu s considerm un senzor de distan montat n spatele unui
vehicul rutier n ideea asistrii parcrii cu spatele. Senzorul poate
furniza informai i doar despre obiectele s ituate n faa sa, dar nu
i a acelora aflate lateral, astfel c acoperirea spaial este limitat
. Presupunem de asemenea c senzorul
necesit un timp de actualizare de o secund . Acest proces
reprezint o acoperire limitat n timp ntru un conductor auto. n fina
l senzorul nu furnizeaz o recizie ne lim itat, de exemplu
incertitudinea, n cazu l n care obiectul din spatele mainii este
o mic motociclet i conductorul auto nu poate fi s igur dac
fasciculul senzorului atinge obiectul i transmite o msurtoare
corect, cu o precizie specific , sau dac fasciculul scap obstacolul
furniznd o valoare ce sugereaz o distan d iferit.
O soluie la problemele enumerate este oferit de fuziunea
senzorial . Abordarea standard de compensare a cderii senzoriale o
reprezint implementarea unei uniti tolerante la defecte cu cel puin
trei uniti identice i un voter (alegtor), sau cu minim dou uniti cu
comportament fail-silent (termenul semnific urmtorul context: o
component produce fie rezultate corecte sau, n caz de cdere , nici
un fel de rezultat). Obinerea unui comportament robust la deprivri
senzoriale ntr-un sistem cu un proces de fuziune inclus este
posibil prin utilizarea de senzori care achiziioneaz informaii
suprapuse parial ale obiectului explorat. Acest procedeu funcioneaz
cu un set de senzori de acelai tip (omogeni} dar la fel de eficient
poate fi i un set de senzori eterogeni.
Avantaje posibile Consecina apl icrii corecte a fuziunii datelor
senzoriale provenite de la un set de senzon
eterogeni sau omogeni o reprezint suma ctorva avantaje posibile
semnificative. l .Robustefe i fiabilitate : grupurile de senzori
multipli au o redundan inerent ce permite
sistemului obinerea de informaie chiar n cazu l unei cderi
pariale. 2.Acoperire spajial i temporal extins: un senzor poate
"vedea" unde a l~i senzori nu o pot
face, n sensul realizJii de msurtori pe care ceilali senzori ai
grupului nu le pot efectua.
-
3.Siguran ridicat: msurtoarea unui senzor este confirmat de
msurtorile celorlali senzori ce acoper acelai domeniu.
4.Ambiguitate i incertitudine reduse: informaia adiacent reduce
setul interpretrilor ambigue al valorii msurate.
5 .Robustee la interferene: prin creterea dimensionalitii
spaiului msurtorilor (de exemplu msurarea cantit.ii dorite cu
senzori optici i ultrasonici) sistemul devine mai puin vulnerabil
mpotriva interferenelor.
6.Rezoluie ameliorat n cazul fuzionrii de msurtori multiple
independente ale aceleiai proprieti, rezoluia valorii rezultante
este mai bun dect cea a unei msurtori _ efectuate de un singur
senzor.
1.Posibilitatea de reducere a complexitii sistemului_reprezint
un alt avantaj al fuziunii senzoriale. ntr-un sistem proiectat
tradiional, msurtorile senzorilor sunt transmise n aplicaie care
trebuie s se confrunte cu un numr sen111ificativ de fluxuri de date
imprecise, ambigue, i incomplete. ntr-un sistem n care datele
senzoriale sunt preprocesate prin metode de fuziune, intrarea n
procesul de control poate fi n mod independent standardizat prin
tipuri le de senzori
utilizai , ceea ce faciliteaz implementarea aplicaiei i creaz
posibilitatea modificrilor sistemului de senzori, (referitoare la
numrul i tipul senzorilor utilizai) fr schimbarea software-ul
aplicaiei.
Arhitecturi de fuziune senzorial Arhitectura de fuziune
senzorial se refer la punctul n care datele sunt combinate
ntr-un
algoritm specific. U rmtoarele paragrafe prezint clasificri
uzuale ale aplicaiilor de fuziune senzorial n funcie de diverse
aspecte.
Clasificarea dup configuraia senzorilor Reelele bazate pe
fuziunea senzorial pot fi deasemenea clasificate n concordan cu t
ipul configuraiei senzorilor. Se disting trei tipuri de
configuraie a senzorilor ntr-o reea : Configuraia
competitiva(redundant) : Senzorii sunt configurai competitiv dac
fiecare
senzor transmite msmtori ale aceleiai proprieti. Se disting dou
configurai i competitive : I. fuziunea datelor provenite de la
senzori diferii sau 2. fuziunea msurtorilor provenite de la acelasi
senzor preluate la instane diferite de timp.
n contrast c11 tolerana la defecte. confornraji!e competitive
pot de asemenea s constituie robusle(ea unui sistem. Sistemele
rot:>uste realtzeaza un nivel degradat al serviciilOI n p1ezenta
unei cderi/defect. n timp ce aceast degradare lent este mai slab
dect atribuirea unei tolerane la defect, respectivii algoritmi
funcionnd mai eficient n contextul necesitilor resurselor i
funcioneaz bine cu swse de date eterogene. Senzorii S 1 i S2 ai
figurii 2.3 reprezint o configuraie competitiva, n care ambii
senzori observ n mod redundant aceleai proprietai ale unui obiect
din spaiul mediului.
-
Ca ra cte ristic i:
Date rezultate
Fuziune
Senzori
Mediu
Fiabilitate , Acuratee
Corn pletitudine Imagini emergente
~ Q
Fuziune competitiv (ex : votare)
8 \ / \ ./ . ,,l i
Eft
~ ~ o
Fuziune corn plem entar
/
G l
6
~ Q
Fuziune coopera tiv
(ex : vedere 30)
88 0;
Figura 2.3 Fuziune competitiv, complementar i cooperativ
Conjigura{ia complementar: configuraia senzorilor este definit
complementar dac senzorii nu depind direct unul de altul, dar pot
fi combinai n ideea de a transmite o imagine mai
complet a fenomenului aflat sub observaie. Aceast sol uie rezolv
incompletitudinea datelor senzoriale. Un exemplu pentru o
configuraie complementar este utilizarea mai multor camere fiecare
observnd seciuni disjuncte ale ncperii /spaiului sub
observaie[HooOO]. n general fuziunea complementar este simpl, prin
posibilitatea aditivitii datelor achiziionate de la senzori
distincti.[Bro98]. Senzorii S2 i S3 reprezint o configuraie
complementar deoarece fiecare senzor
observ o parte diferita a spatiului mediului. Configuraia
cooperativ: reeaua senzorial cooperativ utilizeaz informaia
provenit de
la cel putin doi senzori pentru a sintetiza o informaie
inaccesibil nici unuia din senzori . Un exempl!! pet11t11
confi~rnaiia cm>1iermiva l reprezint vede1ea steteoscopic pri11
cornbi11mca imaginilor bidimensionale de la dou camere situate la o
diferen redus a punctelor de vedere rezultnd o imagine
tridimensional a scenei observate. Astfel n contrast cu tehnica
competitiv procedeul cooperativ reduce perfonnanele rezultatelor
sub aspectul acurateii i fiabilitii. Senzorii S4 i S5 din figura
2.3 reprezint o configuraie cooperativ. Ambii senzori observ acelai
obiect dar msurtorile sunt utilizate la formarea unei imagini
emergente a obiectului C imposibil de
obinut prin msurtorile individuale date de S4 sau S5. Aceste
trei categorii ale configuraiilor senzorilor nu sunt mutual
exclusive. Multe aplicaii implementeaz mai mult de una din cele
trei tipuri. Un exemplu de arhitectur hibrid este utilizarea mai
multor camere care monitorizeaz o arie definit. n regiunile
acoperite de dou sau mai multe camere configuraia senzorilor poate
fi cooperativ sau competitiv. Pentru regiuni acoperite de o
singur camer configuraia este evident complementar. Clasificarea
bazat pe nivelele informatiei. Aceast clasificare se refer la
ierarhizarea calitii infonnaiei procesate-figura 2.4. Procesele de
fuziune sunt adesea clasificate dup un model organizat pe tre i
nivele distingndu-se astfel o fuziune de nivel inferior, o a doua -
fuziunea de nivel intermediar i ultima - fuziunea de nivel
inalt.
Fuziunea de nivel inferior (fuziunea centralizat sau fuziunea
datelor primare) combin cteva surse de date primare pentru
producerea de noi date care se estimeaz s fie mai informative dect
intrrile oferind "parametri i estimate" algoritmilor de control de
nivel nalt.
Fuziunea de nivel superior (denumit i vector de stare, fuziune
autonom sau fuziune decizional) utilizeaz fiecare set individual de
date senzoriale pentru producerea unui vector de
-
stare sau a unei estimate pentru sistem. Acest grup de decizii
este apoi procesat utiliznd o arhitectura de decizie bazat pe reele
neurale "votare", logica fuzzy i metodele statistice.
Fuziunea de nivel intermediar (fuziune la nivel de trsturi sau
hibrid) preia avantajele nivelelor precedente. n funcie de
importana acurateii datelor sunt combinate diferite trsturi cum ar
fi muchii. coluri , linii , texturi , sau poziii ntr-o harta de
trsturi care ulterior poate fi
utilizat pentru segmentare i deteeie.
declaraie comun de identitate Declaraie de
identitate
Extragere trsturi
Fuziune la nivel de date
(a)
declaraie comun de identitate
declaraie comun de id.
Fuziune la nivel de trsturi
declaratie de identitate
Asociere
(b)
Fuziune la nivel de decizie declaraie de identitate
(c) Figura 2.4: Model de proces de fuziune senzorial : (a) fuz
iunea direct a datelor,
(b) fuziunea la nivelul trsturilor, (c) fuziunea la nivel deciz
ional (declaraie de identitate)
Primitive i parad igme robotice 2.2.5.a Primitive robotice
Funciile unui robot pot fi divizate n trei categorii de maxim
generalitate denumite primitive o Primitiva SIMURI. orice funcie
care preia informaie de la senzorii robotului i produce o ieire
util altei funcii.
o Primitiva PLANURI. Orice funcie care preia informaie (fie de
la senzori, fie din propriile c11na@e nespre medio! Tr!co11jur lor-
si11tetizate 11li-o baz de date p1 oprie l"leereet ele operator sau
"nvat" chiar de robot din experiena anterioar) i produce unul sau
mai multe subtaskuri pentru a fi realizate (deplasare pe coridor 3
metri, rotire stnga urmat de deplasare 1 metru i stop).
o Primitiva ACIUNI. Funciile care produc comenzi de ieire spre
actuatori (motoare) sunt incluse n ultima primitiv, ACIUN I
(motoarele de orientare directionate cu 45 grade , iar cele de
deplasare cu o turatie de 20 rotatiilmin).
n timp ce tripletul SPA este general acceptat, unii cercettori
sugereaz adugarea unei a patra primitive -NVAARE. Nu exist n acest
moment arhitecturi formale care s o includ pe aceasta, aa nct o
cretere a numrului primitivelor nu este nca validat.
2.2.3.b Paradigme robotice Paradigmele reprezinta realizri
tiinifice universal recunoscute care, pentru o perioad, ofer
probleme i soluii model unei comuniti de practicieni. Paradigma
este n acelai timp o modalitate de interpretare a lumii
nconjurtoare i un set
implicat de instrumente pentru solutionarea problemelor. Nici o
paradigm nu este perfect . Uneori unele probleme par sa se adapteze
altor abordri.
De exemplu s considerm problemele de calcul. Exist probleme ce
pot fi rezolvate prin difereniere n coordonate carteziene, dar sunt
mai uor de rezolvat dac sunt utilizate coordonatele polare. n
domeniul problemelor de calcul coordonatele carteziene i polare
sunt dou paradigme diferite de a privi i manipula o
problem. Ambele conduc la rezultatul corect, dar una ia mai puin
timp pentru anumite probleme.Aplicarea paradigmei adecvate face
rezolvarea mai e legant , mai uoar. Astfel cunoaterea paradigmelor
roboticii inteligente este unul din mijloacele de a controla
eficient un robot ntr-o aplicaie dat . Este de asemenea de
-
interes din perspectiva evoluiei n timp, analizarea diferitelor
paradigme, pentru nelegerea motivelor care au dus la sch imbarea
unei paradigme cu o alta.
Exist n mod curent trei paradigme pentru organizarea controlului
robotic: 1. paradigma i erarhic 2. paradigma reactiv
2a. paradigma bazat pe comportamente 3. paradigma hibrid
(deliberativ-reactiv)
s
p
A
a) paradigma ierarh ic a) paradigma reactiv a) paradigma
hibrid
Figura 2.12 Paradigme robotice
Paradigmele pot fi descrise n dou moduri. a) Prin relaia dintre
cele trei primitive comun acceptate ale roboticii: SIMUR I, PLANURI
, ACIUN I.
b) Prin modul n care sunt procesate i distribuite datele
senzoriale n interiorul sistemului. n funcie de modulele
beneficiare de informaie senzorial (module ce difer de la o
paradigm la alta) este necesar o difereniere a fluxului senzorial
utiliznd o terminologie specific :
Informaie senzorial local. n unele paradigme, informaia
senzorial este utilizat ntr-un mod dedicat, pentru fiecare funcie a
unui robot. n acest caz procesarea este l ocal fiecrei funcii
(cazul paradigmelor reactiv/bazat pe comportamente, i parial a
celei hibride)
Informaia senzorial global contine prin fuziune un model global
al mediului pentru paradigma ierarhic n timp ce paradigma hibrid
preia din modelul mediului seturi care vor fi distribuite altor
funcii beneficiare (seturile constituindu-se n senzori
virtuali)
informatie senzorial hibrid situaie nt ln it n paradigma
deliberativ-reactiv context n care unii senzori pot fi partajai ca
utilizare ntre zona reactiv care necesit informaie senzorial
local i zona deliberativ solicitant de informaie global (o schem
sugestiv n acest sens este prezentat sectiunii dedicate arh
itecturilor robotice).
Tabelul urmtor reprezint intrrile i ieirile primitivelor
neparticularizate pentru o anumit paradigm , i do aici
atrib1:Jt1:JI do y0n0rifJ0
Primitive Intrri Ieiri robotice SIMURI Date senzoriale I
nformaie
primare senzorial Informaie senzorial sau
PLANURI lnformatie senzorial si coqnitiv subtaskuri ACIUN I
subtaskuri Comenzi de
acionare Tabel 2. 5 Primitivele robotice la nivelul de intrri-
ieiri generice
Unul din factorii care au determinat "schimbarea paradigmei" l
reprezint rafinarea naturii fiecrei primitive, i n egal msur
instanele, n sensul unicitii sau multiplicitii fiecrei primitive n
structurarea paradigmei.Anticipnd, triada primjtivelor Simfuri,
Planuri,Aciuni in paradigma ierarhica este unic, in schimb perechea
Simfuri, Aciuni a paradigmei reactive este multiplicat rezultnd
instane diferite ale manifestarii reactivitii
-
Sisteme ierarhice
h.b . . task I : Informaie cognitiv
ln 1 are simuri t ,
SIMURI \ PLANURI 11---i ACIUNI Mediu
Figura 4 .1 Organizarea paradigmei ierarhice
Paradigma Ierarhica prima aprut, a fost dominant n perioada
anilor 1967-90. Robotul funcioneaz de o manier top-down,
preponderent fiind planificarea. Aceast abordare s-a bazat pe o
oarecare transpunere tehnic a modului de gndire uman. Sub paradigma
ierarhic, robotul simte lumea planific urmtoarea aciune, i apoi
acioneaz. Procesul este ciclic i la fiecare ciclu robotul i
planific explicit urmtoarea micare. Alt caracteristic este legat de
datele senzoriale n ansamblul lor care tind s fie ncorporate ntr-un
model global al mediului. o reprezentare unic pe care
planificatorul o poate utiliza n generarea planurilor de aciune
.
Construirea modelelor globale ale mediului a reprezentat un
proces dificil cu rezultate de multe ori fragile datorate problemei
cadrului i a necesitii unei presupuneri a lumii nchise.
Presupunerea mediului nchis i problema cadrului presupunerea
mediului nchis Dup cum a fost definit presupunerea mediului nchis
afirm c modelul mediului conine toate informaiile necesare
robotului, i prin urmare nu pot exista evenimente neprevazute. Dac
aceast presupunere este nclcat, robotul nu va putea s
funcioneze corect dar, pe de alt parte este foarte posibil ca s
existe omisiuni din partea proiectantulu i n ceea ce privete
totalitatea detaliilor necesare cuprinse n modelul mediului. n
consecin succesul robotul ui depinde de abilitatea programrii n
surprinderea ntregului ansamblu de posibiliti probabile. Chiar dac
este realizat acest aspect, modelul lumii ri sc s devin ancombrant
i greu de utilizat. Opus presupunerii mediului nchis este evident
presupunerea mediului deschis. Afirmaia "robotul trebuie s
funcioneze ntr-un mediu deschis'' indic imposibilitatea apl icrii
presupunerii mediului nchis n aplicaia respectiv.
problema cadrului. Problema reprezentrii situaiei unui mediu
real ntr-un mod care s fie manipulabil computaional a devenit
cunoscut ca problema cadrului.
Caracteristici i flux informaional Analizarea fluxului de date
ce parcurge orice arhitectur robotic indiferent de paradigma
care
o guverneaz este semn i ficativ sub urmtorul aspect: existena
diferenei semnificative dintre numrul i diversitatea senzori lor
disponibili i a numrului relativ redus de actuatori i efectori
.
Aceast diferen dintre diversitatea posibi li tilor de percepere
a mediului i posibilitile restrnse de a interveni asupra acestuia,
detem1in ca structurile robotice s fie inerent paralele n
percepii
.i seriale n aciuni. Paradigma i erarhic este secvenial i
ordonat dup cum apare n figura 4.1. n prima etap
robotul percepe lumea prin SIMURJ i edific o hart global a
mediului. n etapa a doua simurile sunt inhibate, iar robotul
planific toate directivele necesare pentru atingerea scopului. n
final robotul acioneaz pentru ndeplinirea primei directive. Dup
realizarea secvenei SIMURI
PLANURI-ACIUNI, se re ia ciclul: simurile sunt reactivate,
robotul simte consecina aciuni i sale, replanific directivele
(chiar dac directivele nu s-au schimbat) i n fi nal actioneaz.
-
Primitive Intrri Procese Ieiri robotice interne SIMURI date
senzoriale primare fuziune Informaie
(flux paralel cooperativ ~ - senzorial -n procesul fuziunii)
global [I Informaie senzorial global sau -
-
Edificare model
PLANURI Informaie senzorial global i cognitiv t
task transmis de programator - Generare plan (flux serial) t
Raionare -
Directive directive
..... Comenzi de ACIUNI (flux serial) actionare
Tabel 4.1 Fluxul informaional la nivelul intrri- procese
interne- ieiri al primitivelor robotice n paradigma ierarhic
Dup cum apare n tabelul 4.1 structura ierarhic este n ansamblul
ei bazat pe un flux serial de date, dar la nivelul primitivei S
intrarea informaiei este paralel prin achiziia simultan de date
provenite de la diveri senzori, datele coopernd prin fuziune la
formarea unei informaii globale. Fuziunea senzorial realizeaz
astfel o conversie paralel--serial a fluxului informaional. n
consecin achiziia senzorial este monolitic: observaiile senzoriale
fuzionate printr-un proces intern primitivei S ntr-o informaie
senzorial global sunt transmise primitivei P care o structureaz
ntr-o reprezentare a mediului. Blocul P este guvernat de un
Planificator care coordoneaz toate procesele interne: edificare
model, generare plan de aciune (pe baza modelului i a taskului
transmis) i raionare .
Structura global de date este accesat de planificator si este n
general denumit "model al mediului". Termenul de model al mediului
este generic: " mediu" reprezint att lumea exterioar, ct i orice
semnificaie pe care robotul o atribuie acestei lumi. n cadrul
paradigmei ierahice. modelul mediului conine n mod tipic urmtoarel
e componente:
1. o reprezentare aprioric a mediului n care opereaz robotul
(exemplu o hart a cldirii) avnd valoare de informaie cognitiv.
2. informaie senzorial (exemplu m aflu pe un coridor, unde m
deplasez) 3. orice infom1aie cognitiv suplimentar care poate fi
necesar pentru ndeplinirea unui task
r;ex uime M/etele nrtmlle nrm noqa teebute M otunu 1a ramera
R-102;1 I ask11l transmis ae j l IJI ~ ...,.
programator poate conine informaie cognitiv suplimentar. Crearea
unei reprezentri unice care poate stoca toate aceste informai i
poate fi foarte problematic. O parte a vitezei extrem de reduse de
deplasare s-a datorat puterii de calcul sczute pe durata anilor 60.
Acesta este i motivul pentru care robotul ntreine prin simuri un
contact intermitent cu lumea exterioar.
Totui, odat cu studierea inteligenei biologice demarat n anii
80, i-a fcut loc consensul cercettorilor prin care, (cu toat
creterea puterii de calcul), abordarea ierarhic bazat pe logic a
fost nesatisfctoare pentru taskurile de navigaie care necesit un
timp de rspuns rapid ntr-o lume
deschis.
4.1.3 Arhitecturi reprezentative O arhitectur reprezint o metod
de implementare a unei paradigme, de materializare a
principiilor ntr-un mod concret. Ideal, o arhitectur este
generic: asemenea unei bune proiectri a unui program orientat pe
obiecte, trebuie s dein numeroase componente reutilizabile pentru
alte platforme robotice i alte aplicaii.
4.l .3.a NHC (Nested Hierarchical Controller) - Controllerul
ierarhic ncorporat Arhitectura NHC (figura 4.2) conine componente
care pot fi uor identificate ca fiind
primitivele SIMURI, PLANURI sau ACIUNI. Robotul starteaz prin
achiziionarea observaiilor
-
senzorilor i prin combinarea acelor observaii pentru edificarea
structurii de date a modelului mediului prin intermediul funciilor
blocului SlMTURI. Modelul poate deasemenea conine o
cunoatere a priori, a lumii nconjurtoare, de exemplu planurile
unei cldiri, reguli legate de programul de lucru al angajailor
instituiei care implic o afluen de oameni n micare pe coridoare,
aglomerare care determin robotul s staioneze n aceste perioade
ntr-un loc mai retras.
Dup crearea i actuali zarea modelului robotul poate planifica ce
aciun i trebuie s ntreprind. Planificarea navigaiei conine o
procedur local constnd din trei etape executate de
Planificatorul MisiuniL de Navigator, i de Pilot. Fiecare din
aceste module are acces la Modelul Mediului pentru calcularea
seciunii din planificare ce le revine fiecruia. Ultima etap a
planificri i
reprezint pentru modulul Pilot generarea aciunilor specifice pe
care trebuie s le execute robotul (ex rotete-te la stnga,
deplaseaz-te nainte cu o vitez de 0.6 mlsec.) Aceste aciuni sunt
translatate de ctre Controllerul de Nivel-Inferior n semnale de
control ale actuatorilor (ex. profilul vitezei pentru o rotire lin)
. Controllerul respectiv mpreun cu elementele de acionare
formeaz
seciunea ACIUNI a arhitecturi i. Contribuia major a NHC a fost
descompunerea ingenioas a Planificrii n trei funciuni
sau blocuri diferite orientate spre suportul navigaiei:
Planificatorul de Misiune , Navigatorul i Pilotul. Dup cum apare n
figura 4 .3 planificatorul fie primete o misiune din partea unui
programator uman, sau i i genereaz una, (de exemplu: apuc cutia din
camera urmtoare). Planificatorul este responsabi l pentru
operaionalizarea, sau translatarea acestei misiuni n termeni pe
care celelalte blocuri i pot nelege.(cutia = BI cam = Camera R
-102.)
n continuare Planificatorul de Misitme acceseaz o hart a cldirii
i localizeaz unde se afl robotul i scopul su -inta misiunii .
Navigatorul preia aceast informaie i genereaz un traseu din
locaia curent pn la scopul misiunii. Generarea const ntr-un set
de puncte "de susinere a traseului", sau linii drepte pe care
robotul trebuie s le parcurg. Traseul este transmis Pilotului.
Pilotul preia ntr-o prim faz primul segment de traseu i determin
aciunile pe care robotul trebuie s le realizeze pentru a urma
respectivul segment de traseu (de exemplu robotul trebuie s se
roteasca pentru a se direciona pe traseu nainte de startarea
deplasrii). Dup ce Pilotul transmite comenzile controllerului de
nivel infer ior i acesta trimite semnalele necesare actuatorilor,
robotul
interogheaz senzorii din nou pentru actualizarea Modelului
Mediului.
r----.------------1 r---------PLANURi''! I I !
[ SIMURI I
~ Modelul
mediului/ Baza de cunotine
:
~ i ' ,, ; I :
am 1ca or misiune
Figura 4.2 Control Ieru l ierarhic ncorporat
5 6
I
Planificator - -- .- -, '----1 10 . -.
* ' ---- ----- -- ~- - - ---scop
Navigator ------ - -- - - - ---11 ~I:
'---.,.-........--....J I I
Pilot
traseu I - - - - - - - ... - - - - - _t
, -----------.
I ---- I "' - ... ... - .,. - ... ... "' - .,. ~ ,.. , : \o \o'
I
I ' '
subsegment traseu. cotire 83 grade deplasare nainte 5m
I ' I ' --- --------- '
Figura 4.3 Descompunerea componente lor planificrii n arh
itectura NI-IC
Cu toate acestea ntregul ciclu al planificrii nu este reluat
deoarece robotul avnd deja un plan, nu are nevoie s revin la
Planificatorul Misiunii sau la Navigator. n schimb Pi lotul testeaz
Modelul Mediului, pentru a veri fica dac: (a) robotul a deviat de
la segmentul de traseu (i n acest
-
caz el genereaz un nou semnal de control), si (b) robotul a
atins unul dintre punctele de susinere ale traseului (puncte via),
sau dac a aprut un obstacol.
n cazul n care robotul a atins un punct de susinere Pilotul
informeaz Navigatorul. dac punctul respectiv nu este punctul final
- inclus n scopul misiunii, atunci exist w1 alt segment de traseu
care va fi urmrit de robot i astfel Navigatorul transmite noul
segment Pilotului. Dac punctul de susinere se afl la captul
traseului, fiind chiar locaia scopului , atunci Navigatorul
informeaz Planificatorul c robotul i-a atins scopul.
Planificatorul poate n acest caz emite un nou scop, de exemplu
rentoarcerea n locul iniial. Dac robotul ntlnete un obstacol pe
parcursul traseului Pilotul pred controlul din nou Navigatorului
care trebuie s calculeze un nou traseu, i segmente pe baza
Modelului Mediului actual izat (care include obstacolul aprut) n
continuare Navigatorul transmite segmentul de traseu actualizat
Pilotului pentru execuie .
NHC are cteva avantaje. Difer de primele programe de control
p1in aceea c intercaleaz planificarea cu aciunea. Robotul produce
un plan, sta1ieaz execuia acestuia apoi modific programul dac
mediul este diferit fa de cel ateptat. De notat c decompoziia este
inerent
ierarhic n inteligen i n scopuri. Planerul de Misiune este mai
inteligent dect Navigatorul , care la rndul sau este mai inteligent
dect Pilotul. Planificatorul este responsabil pentru un nivel mai
ridicat de abstractizare dect Navigatorul, etc. Vom vedea cum alte
arhitecturi, apropiate prezentului, ale paradigmei hibride, vor
apela la organizarea specific NHC.
Un dezavantaj al descompW1erii introduse de NHC a funciei de
planificare este acela c este adecvat strict taskurilor navigaiei.
Distribuirea responsabilitilor pare inutil, sau
neclar, pentru sarcini cum sunt apucarea unei cutii , comparativ
cu deplasarea spre ea.
Concluzii Roboiii construii n perioada de timp dinainte de 1990
au avut n mod tipic un stil ierarhic
al organizrii software. Acetia n general au evoluat pentru o
aplicaie specific i mai puin pentru a servi ca arhitectur generic
pentru aplicaii viitoare.
Primul avantaj al paradigmei ierarhice a fost acela c ofer i
ordoneaz relaia dintre achiziia senzorial, planificare i aciune.
Principalul dezavantaj a fost planificarea. La fiecare ciclu de
actualizare robotul trebuia s actualizeze un model al mediului
global i apoi s realizeze un anumit tip de planificare. Algoritmii
achiziiei senzoriale i ai planificrii din acea perioad erau extrem
de leni i nc mai sunt, astfel nct aceasta a introdus o gtuire
semnificativ. De notat deas;ewenea di ach1z11a senwrial ' acmnea
simt jn pennanena c!ecnplate Aceasta e!imjM efectiv orice tip de
aciuni stimul-rspuns, care sunt vzute n natur din abunden.
Dependena de un model global al mediu lui este legat de problema
cadrului. NHC reprezint tentative de divizare a modelului mediului
n fragmente mai adecvate pentru tipul de aciuni.
O alt problem care n-a fost n iciodat manipulat n realitate de
arhitecturi le paradigmei ierarhice a fost incertitudinea.
Incertitudinea apare n diferite fom1e cum ar fi semantica, zgomotul
senzorilor i erorile actuatorilor. Un alt aspect important al
ince1titudinii este ncheierea aciunii: ntr-adevr robotul a ncheiat
corect aciunea sa?
Aceste sisteme s-au caracterizat ca avnd o descompunere
orizontal, ilustrat n figura 4.4
Senzori Combinare
Extragere trsturi Plan ific Execuie Control trsturi nt r-un
taskuri task motor
model
Actuatori
'\ , ,....... ~' '"',... ,
dSIMURlr 1----- ---------.+l:ENURfl------- ___ : ....
1A-C--IU_N_l1-r--L-----------~
Figura 4.4 Descompunerea orizontal a taskurilor in organizarea
SPA a paradigmei ierarhice
-
4.2 Sisteme reactive 4.2.1 Paradigma reactiv Paradigma reactiv a
constituit o reacie la paradii;,rma Ierarhic si a dus la progrese
surprinztoare n robotic. A fost intens utilizat n domeniu ncepnd cu
anul 1988 i continund pn n 1992. Paradigma reactiv a fost posibil
datorit a dou tendine:
O prima a reprezentat o micare popular n comunitatea inteligenei
artificiale de investigare a biologicului i a psihologiei cognitive
pentru examinarea unor exemplare vii ale inteligenei.
O cea de-a doua tendin a fost scaderea rapid a costurilor pentru
hardware cuplat cu creterea puterii de calcul. Ca efect cercettorii
au reuit emularea comportamentului batracienilor
i insectelor cu roboi la un cost sub 500 $, comparativ cu preul
astrononi ic de 100.000 $ pentru Shakey - unul dintre primii
roboi
I I ... -- ----------- -- - - - I .B
-Cil
I I c: . I o I SIMURl1
I "O ACIUNl1 ... I I o I
-
~ o I I
(.)
: _____ ~9!1JP.Q.lj:f\!1Jp_t_Q[lJ11J!lY. ____ i Mediu
Figura 4.5 Organizarea paradigmei reactive
Paradigma reactiv elimin din context planificarea (figura 4.5 i
tabelul 4.2) organizarea limitndu-se sau simplificndu-se la
"dialogul" SIMURI-ACIUNI. n timp ce structura ierarhic presupune c
intrarea ntr-o ACIUNE va fi ntotdeauna rezultatul unui proces de
planificare, structura reacti v consider intrarea respectiv
conectata direct la ieirea unui senzor.
Dac senzorii sunt direct conectai la aciune, de ce un robot
controlat sub paradigma reactiv nu este limitat s fac doar o singur
aciune? Robotul are instane multiple ale perechii
SIMURI-ACI UNT ce reprezint procese concurente, denumite gene1ic
comportamente, (i denumite ulterior comportamente primitive pentru
a le diferenia de cele innscute sau inv/ate specifice paradigmei
hibride ulterior aprute i care funcioneaz independent de alte
procese in derulare).
Cmnportarnenml simte 5capul poate djrecjona robotul s se
deplaseze nainte cu 3 metri (acfwneaza motoarele ae deplasare)
pentru adngerea unui scop concomitem cu an mt comportament simte
obstacolele care spune "ntoarce cu 90 grade" (acioneaz motoarele de
orientare) pentru ev itarea coliziunii cu un obstacol frontal.
Robotul va realiza o combinaie a ambelor comportamente deviind
temporar la 45 grade pentru evitarea coliziun ii . De notat c
robotul nu acioneaza sub niciun comportament care s l devieze la 45
de grade. Comanda final
reprezint emergena celor dou comportamente.
-o--"' FJ -f) '-- --
a) b) c) f igura 4.6 Manifestarea emergenei.Comportamente
codate:a)"deplasare nainte cu virare uoar
dreapta" i b) "evitare obstacole"c) comportament observat
(emergent):"urmarea peretelui"
-
Primitive robotice
SIMURl1
Intrri
date senzoriale primare
Procese interne
Ieiri
. Informaie - !-----+-
-.. senzorial local -- -- - - -- - - ----- - - --- - - - --- - -
O.:--- -- ACIUNl1 Informaie senzorial local ..- ---- . comanda de
.
... acionare --+
SIMURln date senzoriale primare - Informaie : .. ---.... -- ...
.. ---- -- .. - ~~~~~~t~i-~!~.!~-~~!~-- - ACIUNln Informaie
senzorial local ..i1 . comand ~
de acionare
Fcie . de coordonare comoortamental
R = ..... . (fuziunea/ selecia aciunii)
Tabel 4.2 Fluxul informaional la nivelul intrri- procese
interne- ieiri al primitivelor robotice n paradigma reactiv
Flux informaional i caracteristici Fluxul informaional la
nivelul paradigmei este paralel i concurent Paralelismul la nivelul
intrrilor primitivelor si persist i la ieiri n absena unui proces
intern de fuziune, achiziia senzorial avnd un caracter distribuit.
Un element de noutate fa de componentele paradigmei ierarhice l
reprezint prezena blocului coordonator n organizarea din figura 4.5
care sintetizeaz sau selecteaz aciunea rezultant. Acest bloc nu
reprezint o nou primitiv, neexercitnd o funcie
specific unei primitive, n schimb este necesar structurii
inerent paralele a fluxului informaional specific structurii
reactive. Coordonatorul realizeaz de fapt fuzionarea aciunii (n
cazul unei
coordonri cooperative din exemplul anterior ), sau selecia
aciunii (din aciunile concurente -cazul coordonrii competitive).
Procesul aciunii rezultante este u1mat de un proces care realizeaz
o descompunere a aciunii n comenzi distincte destinate fiecrui
actuator.
Din tabelul 4.2 se observ absena proceselor interne la nivelul
ambelor primitive ceea ce indic caracteristica sistemelor reactive
de a fi lipsite de memorie care s reprezinte stri interne (cazul
contrar sistemelor ierarhice a cror deliberare consumatoare de timp
solicit o memorie
consi?er~bil)
inteligeni , a devenit rapid evident faptul c renunarea roboii
de uz general.
Paradigma reactiv a aprut n anii ' 80 i analizarea ei este
important din cel putin dou motive:
o se refer la persistena acestei structuri chiar n prezent prin
existena de sisteme robotice implementate sub paradigma
reactiv.
o structura reactiv va forma baza paradigmei hibride
reactiv-deliberative utilizat astzi. Structura reactiv a aprut ca o
consecin a insatisfaciei generate de paradigma ierarhic i n acelai
timp ca o infuzie a ideilor preluate din etologie. Cu toate c
diferite sisteme reactive pot adera sau nu la principiile
inteligenei biologice, n general mimeaz unele aspecte ale
viului.
Caracteristica fundamental a paradigmei reactive este aceea c
toate aciunile sunt realizate prin comportamente. Similar cu
sistemele etologice, comportamentele sunt o mapare direct a
intrrilor senzoriale la un pattern al acfiunilor motorii care sunt
apoi utilizate n atingerea unui scop.
Pe de alt parte o examinare a literaturii etologice sugereaz c
inteligena este stratificat permind o descompunere vertical
schematizat n figura 4.7. Sub o descompunere vertical, un agent
starteaz cu comportamente primitive de supravieuire i dezvolt noi
layere comportamentale care fie reutilizeaz vechile comportamente
inferioare, fie le inhib, sau creaz direcii paralele ale unor
comportamente evoluate. Direciile paralele pot fi printre Jayerele
iniiale, stocate vertical. Evident fiecare layer are acces la
senzori i actuatori n mod independent de celelalte Jayere. n cazul
apariie i unei disfuncionaliti legat de un comportament evoluat,
comportamentele
-
layerului inferior vor rmne operaionale. Aceast rentoarcere la
un nivel inferior mimeaz degradarea funciilor autonome din creier.
Funciile de baz ale creierului (cum este respiraia)
continu s funcioneze independent de funciile de ordin superior
(cum sunt numrarea, recunoaterea fizionomic, planificarea
taskmilor) permind unei persoane accidentate nc s respire, s mnnce,
etc.
Pardigma reactiv a ntmpinat iniial o opoziie rigid din partea
utilizatorilor tradiionali ai roboticii, n special din partea
ageniilor militare i nucleare. Aceti utilizatori ai tehnologiilor
robotice au fost ngrijorai de modul imprecis n care comportamente
primitive (de baza) se
combin pentru a forma un comportament emergent mai complex. n
particular comportamentele reactive nu se conformeaz demonstraiilor
matematice, manifestarea lor fiind suficient i corect pentru o
aplicaie.
Semnificaia unui comportament poate fi uor diferit n fiecare
arhitectur reactiv. Comportamentele pot fi executate concurenial
i/sau secvenial. Cele dou arhitecturi reprezentative, suhsumtion i
tehnica cmpurilor poteniale, sunt comparate utiliznd acelai task
luat ca exemplu. Seciunea se concentreaz pe modul n care o
arhitectur manipuleaz comportamente concurente pentru producerea
unui comportament emergent.
Teoria schemelor
Sen zori ;
_E_d'_.,,_.c_a_re_h_a_rf_1_ _ ~ Exp lorare -__ \
-........... Actu atori
--~ Mers aleator ~ Evitar e coliziuni
~ :_ ~ .- - - - - - - - - - - : .~ ~- - - - - - - - ~ ~ ::-- - -
- - - - - - - - ) ' : ~comportament O~: :~ ~: ~ ==-----------
=====:======= ~- - ~ . I r mportament c . l ___ SIMTURI ______
_____ _ ACTIUNI j ---- ----------comriorimen1_ _ ---- -- -----,
SIMTURI ~----i ACTIUNI
Figura 4.7 Descompunerea vertica l a taskurilor din cadrul organ
izrii S-A asociat paradigmei reactive n
comportamente primitive, concurente
Teoria schemelor ofer un mijloc util pentru utilizarea unor
informaii interne, ntr-un format de programare orientat pe
obiecte.
SURPRINDE PRADA
+foame ,- - - - - - - - - - - ~
::~e~!!e . 1 ~~!E +::~a~~~ 1---'--~~~~~~o l I +gasete prada () 1
S ,
pstreaz prada() :----- -~- --~.'- ~ regsete prada() ,
prada in zon a VANEAZA
prad gasit
PRADA
prada:-~~-~.:.~~:.~, RE=!TE I p~~ r ~~;;;;;e;dt.
prada atins
+foame . +prada in zona +aproprie-prada() +apuc prada()
,:=;::.mm :-L ~=;~i~ --:~~::~-- :1 -~~ -- 1r=~ ap~cat~ C~= I
+consum prada() : Sm : 1 _______________ _ _ _______ __________ _
4
Figura 4.8 Secvene posibile de ac i un i realizate de o schem
perceptual i una motorie.
-
Schemele au fost concepute de psihologi ca o modalitate de
exprimare a unitii de baza a unei activiti. O schem const att n
cunoaterea modului de aciune i /sau de percepere i nelegere
(structuri de date, modele, cunotine) ct i procesul computaional
prin care este
utilizat n ndeplinirea activitii (algoritmul). Ideea unei scheme
se mapeaz intuitiv ntr-o clas a programrii orientate pe obiecte. O
clasa - schema n C++ sau Java va conine att date (cunotine, modele,
declanatori) i metode (algoritmi pentru percepere i acionare) dup
cum apar mai jos:
Schema: I date
Metode
O schem este un model generic pentru realizarea unei anumite
activiti. Deoarece o schem este parametrizat similar unei clase,
parametrii pot fi alocai obiectului n momentul instanierii (cnd un
obiect este creat dintr-o clas) i similar programrii orientate pe
obiecte crearea unei scheme specifice reprezint instan/ierea
schemei. Instanierea schemei este obiectul construit cu acei
parametri care sunt necesari pentru adaptarea la situaie. De
exemplu ar putea exista o schem "deplasare_ spre_ hrana" n care
agentul se orientez n linie dreapta spre acest obiectiv. Aici
"ntotdeauna orienteaza-te n linie dreapt" este un ablon de
activitate, i un algoritm reutilizabil pentru controlul micrii.
Totui este doar o metod. Pn cnd nu este instaniat schema amintit,
nu exist un scop spre care s se orienteze agentul.
4.2.3. a Comportamentele i teoria schemelor n aplicaiile teoriei
schemelor orientate spre inteligena artificial, un comportament
este o schem compus dintr-o schem motorie - care reprezint modelul
pentru activitatea fizic i o schem perceptual care materializeaz
percepia senzorial. Cele dou componente formeaz o pereche care
constituie ntregul- comportamentul, n acest caz (figura 4. 9).
n esen, conceptul celor dou scheme se adapteaz perfect cu
etologia i psihologia cognitiv dup cum urmeaz:
Declanator Intrare Model de senzorial aciuni motorii
--1~1Comportament i--... .
\
Schem Schem perceptual motorie
\. \
Figura 4.9 Comportamente descompuse n perechea de scheme
perceptual-motorie
Un comportament preia intrrile senzoriale i produce aciuni
motorii ca ieire Un comportament poate fi reprezentat ca o schem,
care n esen are o structur de
programare orientat-obiecte. Un compo1tament este activat
printr-un declanator Transformarea intrrilor senzoriale n ieiri cu
aciune motorie poate fi divizat n dou
subprocese: o schem perceptual i o schem motorie. Comportament :
: Schema
Date Metode schema_ perceptuala ( )
schema motorie ( ) -
n termeni ai programrii orientate-obiecte, clasele celor dou
tipuri de scheme sunt obinute din clasa schemelor. Un comportament
primitiv are doar o schem perceptual i una motorie.
-
Comportamentele complexe pot fi construite prin secveni erea
comportamentelor. n cazul unei secvene de comportamente,
comportamentul de ansamblu poate fi reprezentat n dou moduri.
Primul este considerarea comportamentului ca fiind compus dintr-un
numr de comportamente primitive, cu logica de declanare necesar
cunoaterii condiiilor de activare a fiecrui comportament primitiv.
Acesta este poate modul cel mai simplu de a manifesta un
meta-comportament. Un meta-comportament compus din trei
comportamente poate fi conceput n felul urmator:
Comport amen t : Schema Dat e declansat orl
declansator 2 decl ansator3
Metod e comportamen t l( ) compo r t ament2 ( ) compo rtame nt3(
)
Totusi , n aplicaiile mai evoluate agentul (robotul) poate alege
dintre cele dou tipuri de scheme cu care s-i construiasc
comportamentul. Ca exemplu trivial, o persoan utilizeaz vederea
(schema perceptual implicit) pentru prsirea unei ncperi (schema
motorie). n cazul
cderii iluminatului artificial, persoana poate apela la simul
tactil (o schem perceptual alternativ) pentru a sim1i traseul spre
ieire. n acest caz cunoaterea specific a schemei este cunoaterea
schemei perceptuale care este adecvat condiiilor mediului. Acest
mod alternativ de creare a unui comportament prin alegerea ntre
scheme perceptuale i motorii alternative poate fi reprezentat de
urmtoarea manier:
Comportament : Schema Dat e starea mediului
Metode a lege_Sp(sta r e a _rnediulu i ) schema_perceptuala_ l(
) schema_ pe r ceptuala
-
2( ) schema motor ie( )
Om perspectiva matematica comportamentele sunt simple funcn de
transfer, transformand intrri senzoriale n comenzi de acionare. Dup
cum am vzut comportamentul poate fi considerat i tratat ca o schem,
i const n cel puin o schem- motorie i o schem -perceptual.
---.1 Senzorul
Mediu activ
robotului
Observaie/ imagine
tt
Senzor I traductor - Comportament Aciune
Figura 4.1 O Un model al percepiei senzoriale n sistemele
reactive
n figura 4. 1 O observatia senzorial este prel uat de o schem
perceptual care extrage perceptul relevant al mediului necesar
comportamentului. Perceptul la rndul su este utilizat de schema
motorie, care duce la declanarea unei aciuni. Schema motorie conine
algoritmul de generare a patternului ac i unii prin intermediul
unui actuator fizic iar schema perceptual conine algoritmul pentru
extragerea perceptului i a intensitii sale. De reinut c puine
arhitecturi
-
robotice reactive descriu comportamentul lor n termeni specifici
schemelor. Dar n practic majoritatea implementrilor au motoare
recognoscibile i rutine perceptuale, cu toate c ele se
refer rar ca scheme. Paradigma reactiv renun efectiv la
componenta PLANURI a tripletului S, P, A
Componentele SlMURJ i ACIUNI sunt strns cuplate n comportamente
i toate activitile robotice apar ca rezultat al activitii acestor
comportamente derulate secvenial sau concurenial. Organizarea S-A
nu specific modul n care comportamentele sunt coordonate i
controlate. Aceasta este un subiect important la care se refer
arhitecturi le implementate.
Percepia senzorial n paradigma reactiv este local fiecrui
comportament,(specific comportamentului). n multe cazuri aceasta
este implementat cu un singur senzor i cu schema
perceptual corespunztoare unui comportament. n alte cazuri mai
multe comportamente pot prelua una i aceiai intrare senzorial,
procesnd-o n mod particular (prin intermediul schemei perceptuale).
Un comportament nu necesit cunoaterea activitii altui comportament.
Figura 4.11 reprezint grafic specificul senzorial al paradigmei
reactive. Percepia senzorial este local (senzorul S2 este utilizat
de comportamentul C), senzorii pot fi partajai (S 1 utilizat att de
compo1tamentul A ct i de compomportarnentul B, respectiv S2 de B i
C) i senzorii pot fi
fuzionai local de un comportament (S 1 i S2 de comportamentul
B). De observat c aceast optic este fundamental opus modelului
global al mediului utilizat
n paradigma ierarhic. Achiziia senzorial este imediat disponibil
schemei perceptuale a comportamentului, care proceseaz dup
necesitate extragerea perceptului relevant. Dac este
utilizat o putere de calcul necostisitoare, atunci seciunea de
achiziie senzorial a comportamentului este cvasiinstantanee i
aciunea foarte rapid.
dcaptare_pe
1rcept ---------------------Comportament A.,
e pe rnve : inferior ~ Schem Schem !
: perceptual ~-....... ~ motorie ; percept ,
~--------------------------------------- ';': : -;.~.----------
__ Comportament B ., 1----,..~.1 Schem Schem
Senzor1
; perceptual motorie , . percept , l
~-------------------------- - -------------' ~--------- --------
- --- - --------~--------- '
' ' ! Schem percept Schem I perceptual motorie
I .: n l I I
' I I o
!.----------comportament C ---------- Senzor2 Actuatori
Figura 4.11: Organizare senzorial specific-compo11amental n
paradigmele reactiv /bazat pe comportamente
4.2.3 b Caracteristici i conotaii ale comportamentelor reactive
Prima conotaie a sistemelor robotice reactive este legat de execuia
rapid. Cuplarea strns dintre senzorial i aciune permite roboilor s
opereze n timp-real cu o vitez de deplasare de 1-2 cm/sec.
Comportamentele pot fi direct implementate n hardware ca circuite
sau ca algoritmi de calcul de complexitate redus, semnificnd prin
aceasta c execuia lor este rapid comparativ cu
frecvena procesorului. Un al doilea aspect este absena memoriei
, acest fapt reprezentnd reflectarea n arhitectura
de calcul a ceea ce biologii denumesc reflexe stimuli-rspuns
pure. n realitate multe comportamente manifest un tip de pattern al
rspunsului cu actiunefixat, n care comportamentul
persist pentru un scurt interval de timp fr prezena direct a
stimulului .
-
Idea principal o constituie controlarea comportamentului prin
intermediul evenimentelor din mediu, copiind spiritul mecanismelor
de declanare nnscute (innate releasing mechanisms) din lumea viului
i mai puin prin stocarea programelor i amintirea aciunilor recente
ale robotului.
Pot fi identificate cteva caracteristici ale majoritii
arhitecturilor reactive: I. Roboii sunt ugeni situai opernd ntr-o
nia ecologic. Nia ecologic este format din
scopurile unui robot, mediul n care opereaz i modalitatea
perceperii acestui mediu. Considerentul de agent situat al
robotului semnific c acesta este parte integral a mediului avnd
propriile sale scopuri i intentii. Prin aciune, robotul modific
mediul i prin percepie senzorial recepioneaz
reacii imediate din partea mediului. Scopurile sale sunt
afectate de percepii , iar modalitatea de evaluare a ndeplinirii
obiectivelor genereaz un nou ciclu de aciune. Pentru a sublinia
aspectul,
numeroi cercettori din domeniu afirm c obiectul lor de
activitate l constituie robotica ecologic.
2. Comportamentele constituie blocurile de baz care structureaz
aciunile robotice i comportamentul de ansamblu al robotului este
unul emergent. Comportamentele sunt entiti
computaionale independente i acioneaz concurenial.
Comportamentul de ansamblu este emergent n sensul c nu exist un
modul "controller" explicit care s detennine imperativ aciunile,
sau nu ex ist funcii care s apeleze alte funcii . Similar
animalelor "inteligena" robotului se afl n ochiul spectatorului i
mai puin ntr-o secven de cod. Deoarece comportamentul de ansamblu
al robotului reactiv emerge din modul n care interacioneaz
comportamentele individuale,
diferenele majore dintre arhitecturile reactive o reprezint
mecanismele specifice pentru interaciune, care includ combinarea,
supresarea i anularea.
3. Percepia senzorial local specific comportamentului este
singura permis Utilizarea cunotinelor reprezentrilor abstracte n
procesarea perceptual, chiar dac este specific comportamentului
este evitat. Orice achiziie senzorial care necesit reprezentare
este exprimat n coordonate ego-centrice(coordonate robot). Datele
senzoriale cu excepia GPS sunt inerent ego-centrice (un telemetru
laser returneaz distana de la cel mai apropiat obiect fa de
traductor-situat pe robot), astfel nct se elimin necesitatea
procesrii pentru crearea unui model al mediului, urmnd direct
extragerea poziiei obstacolului relativ la robot.
4. Sistemele reactive urmeaz inerent principiile proiectrii
software. Modularitatea comportamentelor suport descompunerea unui
task n comportamente componente care pot fi testate independent i
la rndul lor comportamentele pot fi asamblate din primitive.
5. Modele de comportamente ale fiinelor sunt considerate ca o
baz pentru aceste sisteme:. S116 paradigma reacliva este acce ptata
@alogia Ct! l!!mea }lnlmal3
4.2.4 Arhitecturi reprezentative Pentru implementarea unui
sistem reactiv, este necesar s se indentifice setul de
comportamente necesare aplicaiilor propuse. Comportamentele pot
fi nou-create sau deja existente. Aciunea de ansamblu a robotului
emerge din comportamente multiple, concurente. Deci, o arhitectur
reactiv trebuie s ofere mecanisme pentru:
1) Declanarea comportamentelor 2) Determinarea aciunii
rezultante n cazul n care sunt active simultan comportamente
multiple Exist numeroase arhitecturi care se ncadreaz n
paradigma reactiv. Cele mai cunoscute i
mai fomrnlizate sunt arhitectura subsumption i metodologia
cmpurilor potentiale. Prima se refer la modalitatea de combinare a
comportamentelor. Cea de-a doua necesit comportamente
implementabile similar cu manifestarea unor cmpuri poteniale, care
sunt combinate prin sumarea vectorial a cmpurilor.
Arhitectura subsumption Roboii au aspectul similar unor insecte
gigantice echipate cu ase picioare i antene. n
multe implementri, comportamentele sunt ncorporate direct n
hardware sau n procesoare, permitnd roboilor s dispun de toate
necesitile de calcul mbarcate (aceasta era un fapt fr precedent
pentru procesoarele anilor 85). Mai mult, roboii erau pentru prima
dat capabili s
-
peasc, s evite coliziunile i s escaladeze obstacolele fr
sincopele primilor roboi datorate succesiunii
deplasare-rationare-deplasare-etc".
Cuvntul "subsumption", - ''to subsume" -: "a considera un obiect
ca fcnd parte dintr-un grup". n contextul roboticii compo1tamentale
denumirea apare din procesul de coordonare utilizat ntre
comportamente stratificate din cadrul unei arhitecturi. Aciuni
complexe subnsumeaz comportamente mai simple.
Comportamentele de realizare a aplicaiei din arhitectura
subsumption sunt reprezentate ca nivele separate. Nivele
individuale se manifest pentru scopuri individuale n mod concurent
i asincron. La nivelul cel mai de jos, fiecare comportament este
reprezentat utiliznd un modul comportamental , care ncapsuleaz o
anumit funcie de tranformare comportamental. Semnalele stimuli sau
semnalele rspuns pot fi supresate sau inhibate de alte
comportamente active. O intrare de reset este utilizat pentru
revenirea comportamentului la condiiile sale iniiale . Aceste
funcionaliti i notaia aferent lor este simbolizat n figura 412
a) Termenul "comportament" din arhitectura subsumption are o
semnificaie mai puin precis
dect n alte arhitecturi. Aici un comportament este o reea de
module de percep{ ie senzorial i de acionare care ndeplinesc un
task. Modulele sunt AFSM-uri - automate augmentate cu stri.finite,
sau automate de acelai tip avnd regitri, timere i alte extensii
pentru a le permite interfaarea cu alte module.
Un AFSM este echivalent unei interfee ntre scheme i strategia de
control coordonat din cadrul unei scheme comportamentale. n termeni
ai teoriei schemelor un comportament subsumption este de fapt o
colecie de mai multe scheme dintr-un comportament abstract.
Comportamentele sunt generate de maniera stimuli-rspuns rar un
program extern explicit care s le controleze i s le coordoneze.
Intrri (stimuli)
reset supresor
Modul Ieiri comportamental 1---- -'< rspunsuri)
Inhibitor i" gura 4 12 lj mod!!! CO!!lpllltalllelltal
Comportament c ---
Comportament B
Comportament A 1---1-~-
-
Curs 9 Studiu de caz 1
Aceste aspecte sunt ilustrate printr-un exemplu ipotetic pentru
asigurarea compatibilitii cu terminologia teoriei schemelor i
pentru facilitarea comparaiei cu o metodologie a cmpurilor
poteniale . Nivel O: Autoaprare ntr-o prim etap s considerm c un
robot capabil s se deplaseze
liniar evitnd coliz iunile cu orice obstacol poate fi
reprezentat printr-un singur Nivel - denumit Nivel O. n acest
exemplu robotul dispune de opt sensori cu ultrasunete (sau ali
senzori de distana) fiecare orientat ntr-o direcie diferit, i doi
actuatori , unul pentru deplasarea nainte i altul pentru
direcionare .
~ .. /; , SONAR
comportament 1------ ------------------~
PERCEPE t FORA NDEPRTARE:
: (Sp) for (Sm) I -----------1---- - - ------' diagram t polar
percep
,- - - - - - - - - - -
I I I COLIZIUNE I
(Sp) (Sm) - ,--s- t-op_ a_n-tic-o-liz- iu_n_e_ --
----------comportament
direcia si viteza deplasrii
Robot x' r mobil y',
neolonomic 8',
Figura 4.13 Nivelul O al arhitecturii subsumption pentru studiul
de caz I
Semnificaia notaiilor din figura 4.13: Sp-schema perceptual,
Sm-schema motorie, i senzori cu ultrasunete, Mo-motor de orientare,
Md-motor de deplasare. Modulele hasurate sunt interfee senzoriale
respectiv motorii.
Modulul SONAR citete distanele pn la obstacole, cu filtrarea
zgomotelor i produce o diagram polar-care resprezint[1 distanele n
coordonate polare (r, 8) fiind un sistem de coordonate centrat pe
robot. n figura 4.14b diagrama polar apare desfaurat . Dac citirile
distanelor frontale sunt sub un anumit prag dmi modulul COLIZIUNE
(cu obstacol) declar producerea unui impact i transmite semnalul de
stop anticoliziw1e motorului de DEPLASARE determinnd oprirea.
n acelai timp modulul PERCEPE FORA recepioneaz aceeai diagram
polar care trateaz fiecare citire ca avnd o for repulsiv
corespondent care poate fi reprezentat vectorial.. PERCEPE FORTA
l'Ottte fi ~ftelit ett 6 ~tlil~ftre veeterittl ae la fieeare aintre
eitirile 60H60Filer e ultrasunete avnd ca rezultat vectorul notat
fora fn figur. Vectorii citirilor distanelor notate cu 0-7 sLmt
invers proporionali cu vectorii forelor repulsive corespondene: cu
ct distana pn la obstacol este mai mare cu att fora este mai slab.
Situaia limit n care toate citirile di indic cel puin valoarea de
prag dmax corespunztoare unei distane suficient de mari de la care
obiectele din mediu nu mai
semnific obstacole, dete1min considerarea unui spaiu liber i ca
urmare oprirea robotului . Vectorul repulsiv for/a este transmis
modulului NDEPARTARE (de obstacol) care separ n
calitatea sa de schema motorie cele dou componente ale
perceptului (direcia i amplitudinea) pentru a fi transmise
actuatori lor specializai (motoarele de direcionare i cele de
deplasare) spre execuie.
leirea dual din modulul NDEPARTARE denumit orientare i vitez
este preluat de modulul DIRECIE care preia doar orientarea i o
transmite actuatorilor de orientare. Modulul DIRECIE dup realizarea
orientrii primite retransmite viteza modulului DEPLASARE, care
utilizeaz mrimea vectorului/or/a pentru determinarea intensitii
(vitezei) unntoarei m icri de deplasare nainte (ct de departe sau
ct de repede). Cele dou interfee transmit motoarelor robotului
neolonomic tensiunile LLdir
i lldcpl pentru ca acesta s-i modifice cele trei coordonate
(modificarea este sugerat prin derivatele coordonatelor).
n robotic olonomicitatea se refer la relaia dintre gradele de
libertate controlabile i gradele de libertate totale ale unui robot
dat. Dac gradele de libertate controlabile este egal cu gradele de
libertate totale atunci robotul este olonomic. Dac primele sunt mai
puine dect cele totale, robotul este neolonomic. Un robot este
considerat redundant dac are mai multe grade controlabile de
libertate n spaiul aplicaiei. Un automobil este un exemplu de
vehicul neolonomic: are trei grade de libertate
- I -
-
poziia sa n dou axe, i orientarea relativ la o direcie fixat.
Totui el are doar dou grade de libertate controlabile
(acceleraia/frnarea) i unghiul de orientare al roii , prin care
controleaz poziia
i orientarea sa. Neolonomicitatea mainii face dificil parcarea
paralel i virarea pe traseu. Formele olonomice de locomotie. pem1it
vehiculelor s se deplaseze instantaneu n orice direcie fr s
necesite s se roteasc mai nti .
n acest mod, robotul se deplaseaz i se orienteaz printre
obstacole pe distane scurte. Comportamentul observabil este acela c
robotul va staiona ntr-un spaiu liber, neocupat de obstacole,
pn cnd un obstacol apare n proximitatea sa. Dac obstacolul este
situat lateral robotului , acesta se va ntoarce cu 90 n partea opus
i se va deplasa nainte .
o 1:) Spaiu liber- robot nemicat pentru di ~ dmax
~ d max Spaiu cu obstacole ~ Deplasare ~ direcionat cu de
perceptul ~ "fora" ctl ~ dmin - - - - - - - - r -- --- stop ::::.
...... ~_ ......... _..__,..;.....__.___._ ......
......!._anticoliziune
o 1 2 3 4 ~ 6 7 Numr sonar
a) b) Figura 4 .14 Diagrama polar a c itirilor de disant date de
senzori U.S.
a) citirile de distan robocentrice"de-a lungul axelor acustice
b) plotare desfaurat
n felul acesta va permite unei persoane sa-I ghideze. Robotul
poate reaciona la un obstacol dac acesta (sau un alt robot ) este
staionar sau n micare. Rspunsul este calculat la fiecare
actualizare senzorial. Totui dac un alt obstacol este situat
frontal (cineva ncearc s ghideze robotul pe un coridor), robotul se
va opri (va percepe i persoana i zidurile coridorului) i apoi va
aplica rezultatul citirilor modulului NDEPRTARE. Astfel ca dup
oprire se va roti pe loc i va ncepe din nou s se deplaseze nainte.
Oprirea previne ciocnirea de obstacol n timp ce cotete i se
deplaseaz inainte. Nivelul O ilustreaz emergena unui set complex de
aciuni structurat cu module foarte simple.
CoRsider ea fiind in1portaH:ta o rsmoe~lar~ a arhitecmrii
subsMmptioi:i, l-1 fullctie de cele prezentate pana acum,
remodelare prezentata n figura 4. l 5a De observat ca remodelarea
prezentata poate fi comparata cu descompunerea verticala din figura
4.8: datele senzoriale parcurg comportamentele concurente spre
actuatori, i comportamentele independente determina robotul s
actioneza corect. Modulul SONAR ar putea fi considerat o interfata
globala spre senzori , iar modulele DIRECTIE i DEPLASARE ar putea
fi considerate o interfata spre actuatori .(motiv pentru care
acestea apar hasurate). n acest context w1 comportament trebuie s
consiste dintr-o schema perceptuala i o schema motorie. Schemele
perceptuale sunt conectate la un senzor, n timp ce schemele motorii
s unt conectate la actuatori. Pentru Nivelul O schemele
perceptuale-S 11 ar trebui continute n modulele PERCEPE FORA i
COLIZIUNE. Schemele motorii Sm sunt chiar module le TNDEPARTARE i
COLIZIUNE. Modulul COLIZIUNE combin att procesarea perceptual
(extrage vectorul pentru sonarul orientat frontal notat cu O) i
pattem-ul aciunii (stop dac exist o citire cu o valoare sub
dmin).
Comportamentele primitive reflect dou fluxuri informaionale prin
nivelul respectiv: unul dintre ele ar putea fi denumit
comportamentul NDEPRTARE i cellalt comportamentul COLIZIUNE. Luate
n ansamblu cele dou comportamente creaz un comportament de evitare
obstacole mai rafinat, sau Lm nivel de competen. Trebuie de
subliniat c aceste comportamente
utilizeaz percepia direct sau datele senzoriale primare. Prezena
une i citiri de di stan indic unde era un obstacol. Robotul nu are
nevoie s tie unde era acel obstacol.
- 2 -
-
SONAR O SONAR 1 SONARi SONAR 7
NDEPRTARE PERCEPE INDEPRTARE
FORA
COLIZIUNE COLIZIUNE
DIRECIE (motor de orientare)
! DEPLASARE
(motor de deplasare)
---~ MERS ALEATOR
SONAR O SONAR 1 SONAR i , SONAR 7 ,
orientare aleatorie
EVITARE ERCEPE EVITARE FORTA
INDEPARTARE PERCEPE (NDEPARTARE
FORTA
COLIZIUNE OLIZIUNE COLIZIUNE
DIRECIE (motor
orientare) i
DEPLASARE (motor
deplasare)
Figura 4.15 a Nive lul O remodelat sub fo rma de comportamente
primitive.
Figura 4.15 b. Nivelul I remodelat sub forma de comportamente
primitive
De remarcat succesiunea aciun ilor DIRECIE urmat de DEPLASARE,
acest fapt specificnd caracteristica de neolomicitate a
mecanismului de locomoie a robotului (cele dou aciuni nu pot fi
executate simul tan - o realitate tehnologic dificil de depit i
care creaz probleme n calculul poziiei relative prin odometrie)
Nivelul 1: Mers aleator. S considerm un robot care se deplaseaz
aleator n spaiul liber n locul staionrii condiionate de absena n
proximitate a obstacolelor, din cazul precedent, robot care n
schimb pstreaz abilitatea de a evita obstacolele. n acest nou
context mbogit, un al doilea nivel de
competen (Nivelul 1) ar putea fi adugat dup cum apare n figura
4. 15b. Nivelul 1 const dintr-un modul DEPLASARE ALEA TORlE care
calculeaz o orientare aleatorie la fiecare n secunde. Orientarea
aleatorie poate fi asimilat cu un vector care necesit s fie
prelucrat de modulele
DIRECIE i PERCEPE FORA, dar acest vector al orientrii aleatorii
nu poate fi trecut direct prin modulul DIRECIE pentru c aceasta ar
sacrifica evitarea obstacolelor (modulul respectiv nu accept dect o
singura intrare).
----- orientare MERS - ~ ALEA TOR aleatone EVITARE
(Sm) captarea perceptului / orientare for
nivelului inferior
orientare adaptat
... - --- - - - - _ __ ...,._ - - .., ____ .... - -- - - - ~ - -
- - -- ... ... . _.,. . ...
1'/ . ./h /:; _SONAR t,i-
i/l"/ ,1/ /, .
r- " r
diagram polar
". , ... , '' f ./
orientare si vitez
vitez
: I ....-. "~'/.::'?-;/,-;'/. udep1 ~COLIZIUNE 1-------------1
:p~~~.~J~/~;,:: .
stop antrcollZfune Figura 4.16 Nivelul 1- Mers aleator suprapus
Nivelului O- Autoaprare
O soluie ar fi adugarea unui nou modul pe Nivelul 1 -EVITARE
(obstacole) care combin vectorul PERCEPE FORA cu vectorul DEPLASARE
ALEATORIE. Adugarea unui nou modul aduce oportunitatea crerii unui
rspuns mai nuanat la apariia obstacolelor. EVIT ARE combin
direcia forei de evitare cu orientarea dori t dat de deplasarea
aleatorie rezultatul n orientarea real fiind mai adecvat direci ei
corecte dect cea prin care robotul se rotea n cerc pierznd evolutia
n deplasarea nainte. De notat c modulul EVIT ARE este capabil s
capteze componentele nivelului imediat inferior (aici
perceptul/orfa). Iei rea orientrii din modulul EVIT ARE are aceiai
reprezentare ca ieirea NDEPRTARE, astfel c modulul DIRECIE poate
accepta ambele intrri. Problema care apare acum este cnd se accept
vectorul orientrii de la fiecare nivel. Subsumption solutioneaz
acest
- 3 -
-
lucru n mod simplu: ieirea de pe nivelul superior subnsumeaz
(include) ieirea nivelului inferior, prin dou modaliti:
( 1) Inhibiie. n inhibiie, ieirea modulului de subnsumare este
conectat la ieirea altui modul. Dac ieirea modulului de subnsumare
este activ, ieirea modulului subnsumat este blocat sau
comutat pe inactiv. Inhibiia acioneaz similar unui robinet
comutnd un flux de ieire dintr-o stare n alta (activ-inactiv).
(2) Supresare. n supresare, ieirea modulului de subnsumare este
conectat la intrarea unui alt modul. Dac ieirea modulului de
subnsumare este activ, ea nlocuiete intrarea nom1al la modulul
subnsumat. Supresa.rea este similar unui comutator, schimbnd un
flux de intrare cu un altul.
n acest caz, modulul EVIT ARE, supreseaz (marcare n diagrama cu
un S) ieirea din NDEPRTARE, care nc se execut, dar ieirea sa nu
este considerat. n schimb, ieirea din EVIT ARE ajunge la intrarea
modulului DIRECIE. Utilizarea Nivelelor i a metodologiei
subsumption permite noilor Nivele s fie adaugate peste cele
existente i mai puin competente, fr s le modifice, facilitnd
modularitatea i simplificnd testarea. Un alt aspect este legat de
creterea robusteii prin contextul n care dezafectarea accidental a
Nivelului 1 nu afecteaz funcionarea Nivelului O. n acest mod
robotul va putea cel puin s-i pstreze mecanismul de autoaprare prin
care se ndeprteaz de obstacolele detectate
Nivel 2: Urmare coridor
IDENTIFIC CORIDOR coridor
URMARE CENTRU
I ~ INTEGRARE 1;_:: distanta parcurs
. ~ :~:;;. -- ........ --~~~: .. . - - - :-- . .... - - --
........ .. . . .... ... -~:i;,:- . -. ALEATOR ~. EVITARE - centru
Mers
aleator fof1 orientare
adaptat
. --- -- . - ------ ....... 9l ----. - ------- . - __ --- - ---
---- .
Nivel O: Auto-
aparare
diagram
PERCEPE FORA i--.i---..iNDEPRTARE --(0.-. '. :-;~l:~~~fi~
....__ _ _ _ __, fart orientare ---~- ------ ~-- i vitez
vitez enco,_R,_ere \ '
/,
-
obstacolelor). Deoarece identificarea unui coridor este mai
cost1s1toare computaional (extragerea liniilor) dect simpla
extragere a datelor de distan, IDENTIFIC CORIDOR consum mai mult
timp pentru rulare dect comportamentele de pe nivelele inferioare.
IDENTIFIC CORIDOR transmite vectorul reprezentnd direcia spre axul
coridorului ("centrul" coridorului) modulului URMARE CENTRU care
subnsumeaz modulul MERS ALEATOR i furnizeaz ieirea subnsumat spre
una din cele dou intrri ale modului EVIT ARE care n final evit
obstacolele.
MERS ALEATOR
SONAR O SONAR 1 SONAR i j SONAR 7 I
URMARE CORIDOR IDENTIFIC
CORIDOR URMARE CENTRU
INDEPARTARE PERCEPE iNOEPRTARE
FORA
COLIZIUNE COLIZIUNE
orientare pe axul coridorului
DIRECIE (motor
orientare) i
DEPLASARE (motor
deplasare)
Figura 4. 18. Nivelul 2 remodelat sub form de comportament
complex
Ca urmare sistemele subsumption includ constante de timp pentru
supresare i inhibare. Dac supresarea de la URMARE CENTRU ruleaz mai
mult dect s zicem n secunde fr o nou actualizare, supresarea ar
nceta. Robotul ar ncepe cu mersul aleator i n cel mai bun caz
orice
problem ce ar fi adus la lipsa de semnal (cum ar fi blocarea
tota l a coridorului) s-ar fi rezo lvat de la sine. O nou problem
este cum recunoate robotul dac n-a trecut deja prin acelai loc.
Rspunsul este negativ. Proiectarea presupune c un coridor va fi
ntodeauna prezent n nia ecologic a robotului.
Dac nu este aa, robotul nu se comport dup cum a fost proiectat.
Acesta este un exemplu al conotaiei sistemelelor reactive ca fiind
"fr memorie''. 4.2.4.b Metodologia cmpurilor poteniale
/\ssast t~miidi eiJ-e cucoscuta i 11rn jzata rn rohmka mobil n
ptanificmea global a tltt:5eelo1 Metodologia respecti v include i
un alt aspect, n sensul c poate fi interpretat ca manifestarea
funcionalitii unor sisteme de control robotice reactive bazate
pe comportamente. Oe aici i o concluzie important: nu orice sistem
de comand a roboilor mobili poate implementa planificarea
global. ......................
.....................
~.- ..... ~ ...... ~ ..... ....... ....................
. .... , "~ ... ,. _ ~ .4,, ....
~..-..t'.ll'
-
Exist cinci cmpuri poteniale de baz sau pnm1t1ve, prin a cror
combinare se pot s intetiza cmpuri mai complexe. Cmpurile primitive
sunt: uniform, perpendicular, radial, aleator i
tangenial. Figura 4. l 9a reprezint un cmp uniform sub o direcie
data 8 raportat la un sistem de coordonate fixat (asemntor unui cmp
magnetic) n care un robot va percepe aceiai for independent de
locaia sa. Indiferent unde robotul a fost programat initial i cu ce
orientare, odat perceput acesta se va alinia la direcia indicat de
vectorii cmpului i se va deplasa n acea direcie cu o vitez
proporional cu lungimea vectorilor. Cmpul w1iform este utilizat
pentru capturarea i manifestarea comportamentului "deplasare n
directia 8. Figura 4. l 9b reprezint un cmp perpendicular,
(asemntor cu un cmp electrostatic al unui condensator) n care
robotul este orientat perpendicular la suprafaa unui obiect
oarecare, perete sau margine. Cmpul preprezentat este direcionat
dinspre perete, dar poate fi orientat i n direcia opus (cmpul
perpendicular poate fi atractiv sau repulsiv). n figura 4. l 9c
este schiat un cmp radial atractiv "generat" de un obiect care
exercit o atracie asupra robotului, utilizat pentru reprezentarea
unui tropism, n care agentul este literal atras spre lumin, hran
sau scop. Cmpul radial repulsiv, opusul celui anterior este asociat
cu obstacole, sau obiecte pe care agentul trebuie s le evite.
Intensitatea acestuia crete invers proporional cu apropierea de
sursa generatoare a cmpului (cele dou cmpuri sunt
asemntoare celui gravitaional sau celui electrostatic generat de
o particul) n figura 4. l 9d apare un cmp aleator (de tip zgomot)
cu orientare aleatorie n fiecare punct al spaiului n care se
manifest. Acest cmp este utilizat n degajarea roboilor mobili
din puncte de minime locale (n care rezultanta cmpurilor
manifestate este nul fr ca punctele respective s reprezinte punctul
final al scopului). Ultimul cmp primitiv, este cel tangential
-figura 4. l 9e n care vectorii cmpului sunt perpendiculari
liniilor radiale ce prsesc obiectul. Cmpurile tangeniale se pot
"roti" fie n sens orar sau antiorar. Utilitatea lor consta n
direcionarea robotului n jurul unui obstacol sau detem1inarea
executrii unei investigri . Combinarea cmpurilor i comportamentelor
Prima caracteristic a tehnicii cmpurilor poteniale este necesitatea
ca toate comportamentele s fie implementate sub forma cmpurilor
poteniale. A doua caracteristic este combinarea comportamentelor
prin sumare vectorial i nu prin subnsumarea unuia altor
comportamente. Un robot va avea n general fore actionnd asupra sa
provenite de la comportamente multiple, toate acionnd concurent. n
acest seciune vor fi date dou exemplificari a modalitii prin care
apar comportamente multiple i cum sunt implementate i combinate. UA
exe1+1pl'I e~te ~impia p,avigaie, n care robotul este orientat spre
un scop (specificat ca "m metri n directia 9") i ntmpin un
obstacol.
Senzor de
obstacole
Senzor de
scop
~--~--~ Planificarea locala a traseului INDEPARTARE
(cmp radial repulsiv)
vectori de ie ire
DEPLASARE SPRE SCOP
(cmp radial atractiv)
------------ -----------------' I I : Sistem Robot I X r I de
control lly mobil I y' r I I 91 : low-level uo olonomic !-,!:.....
I I ------------- ----------- -----
Fuziunea acfiunii Planificarea global a traseului
Figura 4.20 Cele doua comportamente active
Compo11amentul DEPLASARE SPRE SCOP este reprezentat ca un cmp
potenial atractiv, care utilizeaz encoderele robotului pentru
identificarea egalitii aproximative a poziiei curente a robotului
cu poziia scopului. Comportamentul NDEPRTARE este un cmp repulsiv i
utilizeaz senzorii de distana (cu ultrasunete) pentru detectarea
unui eventual obstacol frontal. Vectorii de ieire vor fi sumati
pentru realizarea fuziunii aciunii i vectorul rezultant va fi
utilizat de blocul Sistem de control low-level, care pe baza unui
model dinamic i/sau geometric al structurii mecanice robotice
olonome va genera trei tensiuni independente (ux, Uy si ua) pentru
acionarea
- 6 -
-
motoarelor de deplasare simultan pe cele trei grade de
libertate. Acest proces realizeaz fis iunea motorie. Figura 4.2la
indic obstacolul-O i scopul-O din spaiul considerat. Comportamentul
NDEPRTARE din figura 4.21b exercit un cmp repulsiv pe o raz dat n
jurul obstacolului (n principiu cmpul repulsiv se extinde peste tot
spaiul similar cu cel exercitat de scop, dar amplitudinea repulsiei
dincolo de raza de "reaciune" este nul) Comportamentul DEPLASARE
SPRE SCOP din figura 4.2lc exercit un cmp atractiv peste ntreg
spaiul i oricare ar fi locaia curent a robotului, acesta va percepe
o for din partea scopului . Cmpul rezultant apare n figura
4.21d.
..... (. . . ; . ... .. j .. .(, .... . . .
. . . . .....
. . . . . . ~
.. , .. :.. 1 .. " ; .; \
.. " " . . .
.. j i ... ; ... ~. ; . 0 ::~:o::: .; -. .. !.~ ... : .... ~.; .
. . . . ' . . . .
.. . . .~ ... ... ' ... . {; .lf ; : : : ... ~ + ~t : ~ -. : : :
: a b
Figura 4. 21. Cmpuri poteniale primitive repulsiv si atractiv i
cmpul rezultant S considerm acum comportamentul emergent al
robotului n cmp. Dac acesta starteaz din colul din stnga - jos ca n
figura 4.22. La momentul to robotul percepe mediul doar prin cmpul
atractiv general de scop (comportamentul NDEPRTARE returneaz un
vector de amplitudine
nul) i ca urmare robotul se deplaseaz rectiliniu spre scop. La
momentul t2 actualizndu-i senzorii percepe n plus i obstacolul,
ambele comportamente contribuind cu cte un vector. Vectorul
rezultant va devia robotul de la traseu l iniial. La momentul t3
robotul evit obstacolul i scopul
exercit ofora maj orat, ca la t4 traseul s revin la cursul
iniial i s atinga scopul. : . . . . ; ; "'
.... : : : ;.._11.,.,: : IJ.. : : -... .: ~ . .i : r ~.
"' ~ _, . .... t~I"}"
-
Evident c traseul rezultant va fi mai neted dac robotul are o
frecven de actualizare mai ridicat. Un alt aspect al ratei de
actualizare este depairea obstacolului, n special n cazul utilizrii
encoderelor incrementale. Aparnd necesitatea ca profilul
amplitudinii cmpului n maxima proximitate a scopului s fie redus
brusc la zero, pentrn ncetinirea micrii i incheierii deplasrii.
Olonomicitate. Cmpurile poteniale consider robotul o particul
punctiform care i poate schimba viteza i direcia instantaneu fapt
de nerealizat n practic. Roboi de cercetare (Khepera) se pot roti n
orice directie, dar fr a se deplasa n acelasi timp, manevr care
antreneaz o anumit eroare a poziiei datorat contactului dintre roi
i suprafa. Minime locale. O a treia problem este posibilitatea
existenei unor puncte n care intensitatea cmpului rezultant este
nul (i nici unul din aceste puncte nefiind locaia scopului). n
figura 4.22 n prelungirea liniei care leag obstacolul de scop exist
dou semenea puncte marcate prin mici cercuri . n aceste puncte
robotul se va opri n cazul n care traseul va trece prin aceste
locaiidenumite minime locale.
Studiu de caz 2 Dup cum exist posibilitatea ca din
comportan1ente simple s fie sintetizat un compo1tament
emergent mai complicat, n mod similar pot fi construite cmpuri
poteniale complexe pe baza celor primitive. Este posibil o
comparaie ntre cmpu1ile poteniale i arhitectura subsumption. Pentru
aceasta s revenim la exemplul studiu lui de caz I al
comportamentelor utilizate n descrierea arhitecturii subsumption. n
cazul Nivelului O, dac nu exist obstacole n gama de distane
controlate de senzori, robotul nu percepe nici o for repulsiv i
este nemicat. Dac un obstacol
intr n raza de observaie a cel puin unui sonar, fiecare citire
creaz un vector, orientnd robotul n direcia opus. n exemplul acesta
ar putea fi imaginat c aceti vectori au fost nsumai n modulul
PERCEPE FORA.
SONAR O SONARi SONAR 7
comportamente
NDEPRTARE* (cmp radial repulsiv)
.-------. x' r Fisiune motorie
Direct ie i intensitate
, r
O'
'-------,__~C-O_L_I_Z_IUNE~-*~~]-s-ro_p~~~---' Figura 4.23
Nivelul O refcut prin metoda cmpurilor poteniale
n cazul cmpurilor poteniale (figura 4.23) citirea fiecrui sonar
va emite o instan a comportamentului NDEPRTARE* (asteriscul va fi
utili zat pentru a distinge comportamente ClU
aceai denumire existente i n cazul cmpurilor poteniale), i care
utilizeaz un cmp repulsiv. Vectorii de i e ire vor fi sumati i
vectorul rezultant va reprezenta direcia micrii si viteza de
deplasare. Modulul COLIZIUNE din cazul subsumption nu se mapeaz
peste un comportament n tehnica cmpurilor. Reamintim c funcia
modulului este oprirea de urgen, n cazul n care robotul atinge un
obstacol , situaie posibil dac comportamntul NDEPRTARE* nu se mai
manifest. Aceasta se potrivete definiiei unui comportament: are o
intrare senzorial (distana la obstacol = O) i w1 pattern
recognoscibil al activitii motorii (stop) n schimb coliziunile sunt
tratate ca situaii de "panic" declannd un rspuns de urgen n afara
contextului cmpurilor poteniale.
- 8 -
-
Unele diferene de nuan dintre cele dou tehnici apar dac
considerm cazul Nivelului 1. Aceiai functionalitate poate fi
ndeplinit prin adugarea unei singure instane a comportamentului
MERS ALEATOR*.
comportamente MERS ALEATOR* (cmp aleator)
INDEPARTARE* O
SONAR O SONARi
* . .-----~ x',
Fisiune
SONAR7 NDEPRTARE* 7
(cmp radial repulsiv) direcie
L_ si intensitate I._ __ c_:_:n_~:__IUN_E_*_--'I sto;nsuma"
motorie
Figura 4.24 Nivelul I refcut prin metoda cmpurilor poteniale
Ca n cazul subsumption, comportamentul genereaz o nou direcie de
micare la fiecare n secunde. Aceasta va fi reprezentat printr-un
cmp uniform n care robotul va simi aceiai atracie de deplasare
ntr-o anumit direcie de micare, indiferent de locaie, pentru n
secunde. Totui prin combinarea ieirii MERS ALEA TOR* cu vectorii
blocurilor NDEPRTARE*, necesitatea unui comportament EVITARE* este
eliminat. Vectorul MERS ALEATOR* este sumat cu vectorii repulsivi i
ca rezultat robotul se mic ndeprtndu-se de obstacole, dar n acelai
timp orientndu-se spre direcia dorit. Acest fenomen apare n figura
4.24 Prima diferen din acest exemplu este dat de proprietatea
crnpmilor poteniale de ncapsulare
explicit a percepiei senzoriale i actionrii n comportamente,
neavnd nevoie de subnsumarea nici unui comportament inferior. Pe de
alt parte, similar modelului subsumption, robotul devine mai
inteligent dup adugarea comportamentului MERS ALEATOR* celui
existent de
NDEPRTARE* Acum s considerm modalitatea prin care Nivelul
2-Urmarea coridorului, va fi implementat n sistemul c111pmilo1
potent!ttle eare 'vf:l ilustre difereasl@ ccmfNbE'j!j\~~~~=le d011
~;!~
f ' l f f ' ' f l ' ' Y Y Y Y V V Y Y Y Y Y A A A A A A A A A A
A l ' ' ' l
~1t~1t1t1t~~~1t~ ""'""""'"'"''' ~~~ f( ;( ;(
;.1-;.~;.;.~~~1;
Figura 4.25: Combinarea celor dou cmpuri perpendiculare i a
cmpului uniform pentru obinerea cmpului complex URMARE CORIDOR
Cele dou cmpuri simetrice fa de axul coridorului nu sunt
suficiente deoarece nu permit robotului s se deplaseze nainte;
robotul va fi antrenat de cmpul rezultant pn va atinge centrul unde
va staiona. Mai este nevoie de un al treilea cmp unifonn de adugat,
paralel coridorului-
- 9 -
-
DEPLASARE SPRE SCOP. Cmpul rezultant va dirija robotul spre
centrul .culoarului n funcie de proximitatea sa fa de unul din
pereti. n acelai timp, robotul urmrete n mod constant atingerea
scopului su. De reinut c n acest exemplu robotul nu-i proiecteaz
on- line limitele trecute sau
urmtoare ale coridorului, n schimb vizualizarea cmpului determin
apariia traseului. r-- --------- -----------------,
Senzori DEPLASARE I de SPRE SCOP
scop (cmp uniform atractiv)
INDEPARTARE PERETE STNG
INDEPARTARE PERETE DREPT
(cmp perpendicular re ulsiv
Comportament complex
URMEAZA CORIDOR
SONAR O SONAR i SONAR 7
..-----~ X'r Fisiune NDEPRTARE 7
(cmp radial repulsiv) Direc!ie
panict!J nsumattj
motorie
L si intensitate oricare I COLIZIUNE 1-s-to_P _____ ~ SONARi
'------ -----'
y', 0',
Figura 4 .26 Nivelul 2 refcut prin metoda cmpurilor poteniale
Comportamentul URMARE CORIDOR i EVIT ARE (al arhitecturii
subsumtion) utilizeaz aceleai date de sonar. Cu toate acestea
pereii vor produce un cmp repulsiv, care va mpinge robotul spre
axul coridorului dei ar prea c doar simpla utilizare a celui de-al
treilea cmp ar fi suficient .
- I O -
-
cuRS 1 o
4.3 Sisteme hibride Dat fiind c structura reactiv are multe
proprieti dezirabile, n special execuia rapid n absena planificrii,
ca o consecin a servit ca baza unei noi paradigme rezultant a
primelor dou "extreme"
i numit paradigma hibrid . Aprut la nceputul anilor 90 continu s
fie actual n ariile cercetrii robotice.
Sub paradigma hibrid robotul ntr-o prim etap planific
(delibereaz) modalitatea prin care poate fi descompus optim un task
n subtaskuri (procedeu denumit i "planificarea misiunii") i apoi
identific care sunt comportamentele cele mai adecvate pentru
ndeplinirea fiecrui subtask, etc.
Task
PLANURI
Comportament (abilitate) Mediu
..
Figura 2.28 Organizarea paradigmei hibride
o iii c o "E o o (.)
n a doua etap intr n execuie comportamentele similar paradigmei
reactive. Acest tip de organizare este dat de succesiunea ciclic
PLANURI, SIMURI-ACIUNJ - (P, S-A) unde virgula
sugereaz c planificarea este realizat n prima etap, apoi
achiziia senzorial i aciunea sunt executate mpreun n a doua etap.
Achizi ia senzorial din paradigma Hibrid este astfel o
combinaie a structuri lor Ierarhic i Reactiv. Datele fiecarui
senzor sunt mtate fiecru i comportament care necesit senzorul
respectiv, dar sunt deasemenea disponibile planificatorului pentm
construcia unui model global al mediului orientat pe task.
Planificatorul poate deasemenea
urmri achizitia senzori al transmis fiecrui comportament (de ex.
comportamentul identfic obstacolele care poate fi ulterior introdus
ntr-o hart a mediului de ctre planificator).
Frecvene de funcionare. Fiecare funci e realizeaz calcu le la
propria frecven fapt ce ind ic o rafinare a fluxului informaional
dincolo de divizarea simplist paralel-serial. Planificarea
deliberativ , care n general este costisitoare sub aspectul
computaional, poate actualiza la fiecare 5 sec m timp ce
campadamentele reactive execllla actua!izttri la 1/6{) sec. Multi
rnboti Se deplaseaz cu Im/sec.
Organizarea achiziiei i prelucrrii senzoriale n arhitectura
hibrid este mult mai complex comparativ cu arhitecturi le
precedente chiar dac percepia senzorial pstreaz caracteristica
paradigmei reactive: local i specific comportamentului (figura 4.29
include ca detaliu schema de organizare senzorial reactiv al
figurii 4.11 ). Dar planificarea i deliberarea so licit modele
globale de mediu i ca unnare funciile planificrii necesit acces la
un model global ex istent.
Modelul este construit de procese independente de percepia
senzorial specific comportamentului n sensul c poate dispune de
senzori dedicai furnizrii acelor observaii care sunt utile modelrii
mediului, dar nu sunt utilizate de nici unul dintre comportamentele
active - n exemplul generic din figura 4.29 senzoriul S3 este
"rezervat" modelului fumiznd informaie global prin natura
utilizrii.
Cu toate acestea att schemele perceptuale pentru comportamente
(aici A i B) ct i procesele de edificare a modelului i pot partaja
aceiai senzori-n exemplu dat senzorul S I (informaia senzorial
fiind de natura hibrid accesibi l ambelor nivele).
Mai mult dect att, procesele de constmiTe a modelului pot
"capt