IMPLEMENTAÇÃO DE ALGORITMOS DE APRENDIZADO MULTI- AGENTE EM UM TIME DE FUTEBOL DE ROBÔS

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1 IMPLEMENTAÇÃO DE ALGORITMOS DE APRENDIZADO MULTI- AGENTE EM UM TIME DE FUTEBOL DE ROBÔS Aluno: Maurício Pedro Silva Gonçalves Vieira Orientador: Karla Figueiredo Introdução Uma partida de futebol robótico da categoria small size é composta por, geralmente, dois times de cinco robôs em que cada time ocupa um lado do campo. Ambos os campos possuem um gol, localizados em extremidades opostas do campo, e toda vez que um time coloca a bola dentro do gol do adversário ele faz um ponto. Ganha o time que ao final de um tempo determinado tiver marcado mais pontos. Os robôs utilizados no jogo utilizam comunicação wi-fi e seu comportamento dentro de campo é programado antes da partida. Durante o jogo é esperado que os robôs analisem a conjuntura da partida, se comuniquem uns com os outros e tomem a melhor atitude possível. Esse trabalho consiste na criação de um algoritmo baseado em técnicas de inteligencia artificial de aprendizado que controle as instancias robóticas durante o jogo. Objetivos Utilizando um ambiente virtual oferecido pelo Robocup Soccer Simulator [1], foi desenvolvido e testado algoritmos com estratégias para o time robótico. Depois, utilizando o software Sci-Soccer da Xbot [2], houve a tentativa de implementar a estratégia no ambiente físico utilizando uma camêra e as instâncias robóticas. Descrição do Equipamento Para a confecção desse trabalho, foram utilizados dois computadores. Destaca-se como as características que valem serem ressaltadas: ambos utilizam sistema operacional Windows 7, em um deles, além desse sistema operacional, também há instalado o sistema operacional Ubuntu 14, no computador que não possuía o Ubuntu instalado, possuía uma placa de vídeo especializada na captura de imagens. Também havia um time de 10 robôs para formar times futebol, comprados na empresa Xbot. Estes possuíam três rodas omni para movimentação em todas as direções e um rolete para realizar o domínio da bola e o chute. Esses robôs se comunicavam entre si e com o computador através de Wi-Fi. O projeto também utilizava uma câmera que reconhecia a bola e os jogadores, e transmitia em tempo real diversas informações sobre os robôs e a bola para o computador. Foram utilizados também durante o trabalho o Simulador Robocup [1] e o software Sci-soccer [2] para a comunicação entre a câmera e o computador. Por diversas vezes também foi consultado o Manual do Simulador Robocup [3] para database de funções e comandos para a plataforma virtual. Simulação

2 Primeiramente, foi necessária a instalação do simulador para o desenvolvimento do algoritmo em ambiente virtual. Nessa fase, foi baixado da Internet os arquivos do github que continha o programa, mas devido a uma documentação mal feita a instalação do simulador enfrentou sérios problemas. Pela falta de suporte dos criadores do produto Sci-Soccer da Xbot e documentação foi necessário dois meses para que o simulador e o monitor funcionassem adequadamente para que se pudesse testar as estratégias desenvolvidas. Uma vez concluída a instalação, foi necessário começar a criar o modelo da estratégia que seria realizado pelos robôs. Utilizando um programa já desenvolvido na linguagem C++ como base, foi implementado aos poucos algumas estratégias. Esse programa já tinha a criação das instâncias dos jogadores no simulador, bem como seus sensores virtuais. Dessa forma foi somente necessário a implementação dos comandos que cada jogador deveria fazer. Os jogadores foram divididos em classes: offender left, offender right, goalkeeper, defender left and defender right. Como o programa deveria ser o mesmo para todos os jogadores, ao serem carregados cada um deles teria uma classe e seguiria a rotina de acordo com a classe a qual pertencia. Quando o programa era carregado para o simulador, era informado a qual classe aquele programa pertencia. A partir desse momento, a instância robótica virtual carregada seguiria os comandos implementados para sua respectiva classe, e teria acesso a todas as funcionalidades definidas para um jogador. A rotina de cada classe foi desenvolvida por esse trabalho. É importante lembrar que o programa simula as instâncias robóticas. Nesse caso, em diversas funções são modeladas como se fossem o próprio robô operando. Dito isso, é intuitivo que os parâmetros de cada função sejam os parâmetros que um robô real espera, como por exemplo, potência em cada um de seus motores. Nesse contexto, para a movimentação da instância robótica usou-se uma função que recebia dois parâmetros, um era a potência que devia ser aplicada ao motor esquerdo e o outro a potência que deveria ser aplicado ao motor direito. Essa foi a principal função utilizada para movimentação. Existem também funções de movimentação que usam parâmetros tais como a posição do campo a qual o jogador deseja ir ou então que faz o jogador girar em torno do próprio eixo até uma direção específica. No entanto, essas funções não foram utilizadas, pois fazem a movimentação instantânea da instância para a posição desejada, o que não é uma boa aproximação do modelo real. Para o chute utilizou-se uma função que recebe a potência dada ao motor que realiza o chute. No robô real, existe um rolete acoplado ao eixo de um motor elétrico que, quando o motor recebe uma tensão, rola o rolete e este realiza o chute. Dessa forma, considera-se que essa função era a que modelava melhor a situação real do chute. Ambas as funções funcionaram corretamente. Elas foram testadas para todas as classes e responderam bem aos comandos. Devido a falta de documentação sobre o programa utilizado e não haver um registro formal de como as classes, métodos e funções eram implementados, se tornou muito difícil utilizar-se de variáveis necessárias para a tomada de decisões da instância. Por exemplo, para o jogador poder decidir em qual direção ele deve seguir para encontrar a bola é necessário ele saber aonde está a bola, ou se ela está em seu campo de visão. Entretanto, o acesso a variável que determina a posição da bola no simulador não era claro. Depois de muito investigar na literatura, esse problema foi resolvido. Identificou-se uma variável que informava a direção que a bola se encontrava de cada jogador. Assim, era

3 possível movimentar o jogador até a bola, pois bastava direcionar os motores para ir de encontro a direção na qual a bola se encontrava. A princípio esse método para levar o jogador até a bola pode parecer diferente do real. Entretanto, como foi descrito na seção de Descrição do Equipamento, o funcionamento dos robôs, bem como seu comando, não se baseia apenas em sensores neles, mas também em uma câmera que fica em cima do campo, fornecendo informações ao programa que controla os robôs a respeito de suas posições e da bola. Assim, a função que foi utilizada para rastreiar a bola, e levar o robô até ela, simula com precisão a situação real. O futebol é um jogo onde é necessário o trabalho em equipe, com comunicação entre os jogadores. Esse mesmo princípio se aplica quando os jogadores são robôs. Nesse caso, existe um sensor implementado na programação dos robôs chamado Aural sensor, que é encarregado de ouvir transmissões feitas pelas outras instâncias robóticas. Existe também uma função onde o jogador fala alguma coisa para todos em um raio de distância definido, e outra em que ele envia uma mensagem específica para somente um jogador. Apesar do envio da mensagem ser algo que se mostrou trivial, o recebimento da mesma foi bem complicado. Na documentação citada já há falha, pois não há nenhuma informação ao processo de armazenamento da mensagem ouvida pelo jogador, ou mesmo onde poderia ser encontrado o output do sensor aural. Dessa forma, a comunicação entre os jogadores no simulador se tornou impossível, pois nenhum dos jogadores conseguia ouvir as mensagens transmitidas para realizar jogadas ensaiadas ou passes de bola, tornando-se estas tarefas quase impossíveis. Investigou-se o assunto em todos os documentos, principalmente no Manual do Simulador Robocup [3]. Apesar da transmissão da mensagem estar descrita claramente no Manual, não havia nenhuma menção sobre o processo de recebimento das mensagens. Nessa fonte não foi encontrada nenhuma função que recebesse ou aonde era armazenada a mensagem, apenas era mencionado que isso era tarefa do aural sensor, e algumas menções ao tamanho máximo de cada mensagem. Nessa busca pela solução do grave problema, foram consultados diversos fóruns na Internet sobre o simulador, porém nenhuma resposta satisfatória foi encontrada. Muitas vezes as respostas eram dúbias ou não correspondiam a mesma versão do simulador que estava sendo usado. Procurou-se ajuda em diversos profissionais que já haviam trabalhado com o simulador, entretanto nenhum deles soube dar uma resposta para o problema. Apesar de não conseguir realizar estratégias muito complexas devido a falta de comunicação efetiva entre as instâncias robóticas, foi desenvolvida uma estratégia simples que envolvia todos os jogadores. Após a mesma ser testada, esta poderia servir de base para testar o time robótico real. Plataforma Real Para a utilização da plataforma real, além da estratégia pré determinada era necessário preparar todo o equipamento. Foi montado um campo e instalada a câmera em cima para a visualização do campo e dos jogadores. Os robôs foram testados para ver se seus componentes estavam em perfeitas condições e houve ainda uma melhoria no sistema de chute. No rolete que entratia em contato com a bola, o qual proporcionaria o controle da bola e o chute, foi colocado uma camada de fita adesiva (com a cola da fita na parte interna) de forma que o material que encostaria na bola seria mais aderente. Tal propriedade tornaria o sistema de chute e domínio da bola mais eficiente.

4 Para que os robôs fossem controlados pelo computador era necessário conectar esse a câmera para que dela se obtivesse as informações a respeito da posição dos jogadores. Para fazer a ponte entre o hardware da camêra e o computador era necessário um programa que acompanhava o pacote dos robôs da Xbot, o sci-soccer, comprado anteriormente pelas coordenadoras do LRI Nas duas máquinas utilizadas ao decorrer do trabalho apenas uma possuía o software sci-soccer instalado. Entretanto, ao tentar utiliza-las pela primeira vez o software não iniciava, devido a algum erro prévio da instalação. Tentou-se instalar novamente, porém sem sucesso. Um erro relacionado a cópia de alguns arquivos e implementação destes ocorria sempre que a instalação era iniciada. Foi procurado o suporte da Xbot, no entanto, sempre que se enviava o problema para um correspondente da empresa o mesmo alertava sobre a descontinuidade desse projeto da empresa Xbot. E, portanto, a havendo mais nenhuma pessoa apta a ajudar na instalação. Na tentativa de solucionar o problema, conseguiu-se contato de ex-profissionais da Xbot que haviam trabalhado no projeto de desenvolvimento do aplicativo que permite a manipulação dos robôs. Infelizmente, a maioria das pessoas com quem se falou, não lembravam mais detalhes sobre o programa. A ajuda era a indicação de outro ex-profissional da empresa, que talvez pudesse colaborar. Após muitos s, encontrou-se um profissional que estava disposto a ajudar. O mesmo teve dificuldade em ajudar na instalação propriamente dita do software, no entanto, foi capaz de enviar o software instalado corretamente em uma máquina virtual. O projeto sofreu ainda atrasos, devido a máquina virtual enviada ter vários usuários e o criador da mesma ter esquecido de compartilhar a senha que possuía o Sci-Soccer instalado. Após a identificação do problema, ou seja, a senha ser enviada foi possível acessar o programa. Agora o programa respondia, no entanto, ainda existia o desafio de fazer o mesmo se comunicar com a câmera, que era fundamental para o controle dos robôs. Houve muitos problemas em relação à comunicação da câmera, tanto sob o ponto de vista do computador, em não reconhecer o dispositivo, como a máquina virtual, em não reconhece-lo. As configurações da máquina virtual ainda foram refeitas para se ter certeza de que a mesma (máquina virtual) estava se comunicando com as portas de USB do computador hospedeiro, mas mesmo assim o software não foi capaz de reconhecer a máquina. Tentou-se também alterar as configurações do próprio programa sci-soccer, mas o maior problema era o fato de ele não reconhecer a câmera, assim, todas suas funções como capturar imagem ou transmitir estratégia não eram possíveis. Achou-se que o problema fosse do sistema operacional utilizado, pois, até então, o scisoccer estava sendo avaliado sob o sistema operacional Ubuntu. Entretanto, após testes serem realizados na mesma máquina a partir de outro sistema operacional (Windows)constatou-se que este não era o problema. Por último ainda houve a tentativa de transferir o programa de computador. Em outra máquina, onde estava instalado uma placa de vídeo especializada em captura de imagens por câmeras, também não se obteve sucesso na captura de imagem pelo software. O programa continuava a não reconhecer a câmera. Conclusão A instalação tanto do simulador quanto do software ensinou a como proceder em situações em que se mostra necessário instalar um programa que você não conhece. Como a instalação não foi simples conhecimentos sobre como proceder e lidar com problemas encontrados ao longo do processo foram adquiridos.

5 A etapa realizada com o simulador consistiu em um estudo mais teórico sobre o desenvolvimento de estratégias com inteligência artificial. E serviu para um conhecimento mais profundo do funcionamento de tais técnicas para sistemas multi-agentes. Esse mesmo processo foi importante não apenas para desenvolver uma estratégia, mas para aprender a implementá-la e traduzi-la em comandos. Já o processo de passar a estratégia do computador para o sistema físico, mostrou fatores que muitas vezes são esquecidos no momento de se criar um modelo teórico, mas que são fundamentais para que esse modelo funcione na prática. Referências 1- ROBOCUP SOCCER SIMULATIOR. Página oficial com link para download Disponível em : < Acesso em: 30 jun XBOT SCI-SOCCER. Página oficial do programa. Disponível em: < Acesso em: 30 jun ROBOCUP SOCCER SERVER USERS MANUAL. Para Soccer Server Version 7.07 e mais atuais. Disponível em: < Acesso em: 30 jun 2015

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