ΕΝΟΤΗΤΑ 2: Αυτόνομα Ευφυή Κινούμενα Ρομποτικά Συστήματα

Transcript

1 Ε.Μ.Π., ΣΗΜΜΥ, Ακαδημαϊκό Έτος , 8ο Εξάμηνο Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ. Διδάσκων: Κ.Τζαφέστας ΕΝΟΤΗΤΑ 2: Αυτόνομα Ευφυή Κινούμενα Ρομποτικά Συστήματα Αρχιτεκτονικές Ελέγχου (mobile robot control architectures) 1 Αυτόνομα Ευφυή Κινούμενα Ρομπότ Περιεχόμενα Ενότητας Μηχανισμοί Κίνησης στο χώρο (locomotion) Αισθητήριες Διατάξεις (sensing) Proprioception (internal state ) / Exteroception etc. Σύνθεση αισθητηρίων πληροφοριών (sensor fusion) Αρχιτεκτονικές ελέγχου (mobile robot control architectures) Αυτοεντοπισμός θέσης / Χαρτογράφηση (self-localisation / map-building) Σχεδιασμός Δρόμου - Πλοήγηση (path planning / navigation) perception action motion control sensing reasoning 2

2 Αρχιτεκτονικές Ελέγχου Κινούμενων Ρομποτικών Συστημάτων «Οριζόντια» αρχιτεκτονική σε «εν-σειρά» λειτουργικές υπολογιστικές μονάδες (top-down decomposition) Ιεραρχικό μοντέλο (hierarchical) Μοντέλο «μαυροπίνακα» (blackboard model) Συμπεριφορικά / «αντιδραστικά» μοντέλα (behaviour-based, reactive architectures) Subsumption architecture etc. Υβριδικά μοντέλα (hybrid, layered architectures) 3 Κλασσική Ιεραρχική Αρχιτεκτονική Sense Plan Act 4

3 Οριζόντια/Ιεραρχική Αρχιτεκτονική Horizontal (top-down) functional decomposition Αντίληψη (Perception) Μοντελοποίηση (Model) Σχεδιασμός Δράσης (Plan) Εκτέλεση εργασίας (Execute) Έλεγχος (Motor Control) Αίσθηση (sensing) Περιβάλλον (environment) Δράση (action) 5 Παράδειγμα Ιεραρχικού Μοντέλου Αισθητήρες (sensors) Controls Όραση Data (vision) Visual Cues Scene Model Συλλογιστική (Reasoning) Βάση Γνώσης Τροχιά Queries Model Σήματα Ελέγχου Πλοήγηση (Pilot) (ALV: Autonomous Land Vehicle) 6

4 Παράδειγμα Μοντέλου Blackboard GSR: Ground Surveillance Robot, blackboard architecture S.Harmon, IEEE Journal on Robotics and Automation, Vol. RA-3, June Reactive Behaviour based Sense Act Δεν υπάρχει «μοντέλο»: Απ ευθείας αλληλεπίδραση με τον κόσμο Πλεονεκτήματα (robustness, modularity, ) / περιορισμοί Βιολογικά συστήματα, κατανεμημένα, συμπεριφορικά... 8

5 Συμπεριφορική Αρχιτεκτονική Vertical Decomposition 9 «Συμπεριφορικά» Μοντέλα Behavior-based / reactive models (1) Levels of competence: behaviors (e.g. motion control skills etc.) Complex behaviors emerging from simple ones Build maps (χαρτογράφηση) sensors Explore (στοχοθετημένη εξερεύνηση) Wander (τυχαία περιπλάνηση) Avoid obstacles (περιπλάνηση) Actuators Distributed intelligence models Multiple active goals Multiple different sensors Robustness, and extensibility Παράδειγμα συμπεριφορικού μοντέλου: Subsumption architecture (συμπεριφορικό μοντέλο «υπαγωγής») (R. Brooks, AI Lab, MIT, 1987) 10

6 «Συμπεριφορικά» Μοντέλα Behavior-based / reactive models (2) Ρομποτικές «συμπεριφορές» (robot behaviors) Βασικά (απλά στην υλοποίηση) «δομικά στοιχεία» ρομποτικής δράσης Άμεση διασύνδεση {αίσθηση} {απόκριση} (stimulus response) Άμεση «ανακλαστική» απόκριση στο περιβάλλον (reactive systems) «Τοπική αίσθηση»: behavior-specific sensing (ego-centric representation) «Kατανεμημένη (τοπική) ευφυία»: no explicit abstract modeling, no global planning, no explicit shared knowledge and global memory Σχεδίαση με βάση ιδέες από βιολογικά μοντέλα συμπεριφοράς «Επεκτασιμότητα» αρχιτεκτονικών ελέγχου (modular control systems) Emergent complex behaviors and skills from the interconnection of simple behavioral patterns 11 «Συμπεριφορικά» Μοντέλα Behavior-based / reactive models (3) Παράδειγμα: Subsumption architecture (R. Brooks, AI Lab, MIT, 1987) arbitration / (αρχιτεκτονική «υπαγωγής») coordination level 3 level 2 level 1 Διαφορετικά επίπεδα ικανότητας / συμπεριφοράς (skill-levels) sensors level 0 actuators Augmented Finite-State Machine (AFSM) AFSM Επικοινωνία/αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών μονάδων (modules) από διαφορετικά επίπεδα συμπεριφοράς Inhibitor: αναστολή (ακύρωση) εξόδου Suppressor: καταστολή (υποκατάσταση) εισόδου 12

7 «Συμπεριφορικά» Μοντέλα Behavior-based / reactive models (4) Παράδειγμα Subsumption architecture (συνέχεια) [Brooks, 87] επίπεδο-0 επίπεδο-1 13 «Συμπεριφορικά» Μοντέλα Behavior-based / reactive models (5) Παράδειγμα Subsumption architecture (συνέχεια) επίπεδο-0... επίπεδο-1 επίπεδο-2 14

8 Υβριδικές Αρχιτεκτονικές Ελέγχου Hybrid (layered) mobile robot control architectures Mission/Task planning layer Strategic Control / Mission-Planner Navigator control layer Sensors Tactical Communication Pilot / Execution control layer Skill/Behavior 1 Skill/Behavior 2 Actuators Example of hybrid (deliberative/behavioral) control architecture for autonomous robot vehicle control 15 Υβριδικές Αρχιτεκτονικές Ελέγχου Hybrid robot control architectures (συνέχεια) Παράδειγμα: Autonomous highway/roadway vehicle control 1. Execution (or reactive) low-level control layer: Motion-control skills (continuous): e.g. line following, lateral control within a lane, maintenance of headway, speed/cruise control Reactive-safety behaviors: collision avoidance, e-stop etc. 2. Tactical control layer: Navigator / Path-planner Proactive-safety and roadway-oriented deliberation: e.g. line following, lateral control within a lane, maintenance of headway, speed/cruise control sequences and conditional sets of commands (e.g. overtake a vehicle : change-lane-left accelerate change-lane-right) 3. Strategic or task control layer: High-level mission planning Route planning and global guidance (e.g. choose route to avoid traffic and reach target location) 16

9 Βιβλιογραφία G. Dudek, M.Jenkin, Computational Principles of Mobile Robotics, Cambridge University Press, R. Arkin, Behavioral-Based Robotics, The MIT Press,