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