Sistemas Robóticos. Sumário. Introdução. Introdução. Arquitecturas de Controlo. Carlos Carreto
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- Giovanna Monsanto da Mota
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1 umário istemas Robóticos de Controlo Introdução deliberativas reactivas híbridas baseadas em comportamentos Carlos Carreto Curso de Engenharia Informática Ano lectivo 2003/2004 Escola uperior de Tecnologia e Gestão da Guarda Introdução Introdução As arquitecturas de controlo de robôs definem a maneira como são coordenadas as funções sensoriais e actuadoras de um robô. Existe um número infinito de programas de robôs, mas todos eles se enquadram num conjunto de arquitecturas de controlo conhecido. Dentro desse conjunto existem 4 arquitecturas básicas que são as mais usadas hoje em dia: Deliberativas Raciocina muito, depois actua. Reactivas Não raciocines, actua. Híbridas Raciocina e actua de maneira independente. Baseadas em comportamentos Raciocina da maneira que actuas. Não existe uma arquitectura que seja melhor do que as outras; cada uma tem a suas vantagens e desvantagens. O controlo de um robô é caracterizado por características por vezes contraditórias: -> A reacção deve ser rápida. -> O raciocínio permite planear antecipadamente. -> Raciocinar demasiado pode ser perigoso. -> Para planear correctamente o robô necessita de informação precisa sobre o mundo. -> O raciocínio é lento, pelo que quanto mais raciocinar, mas o mundo muda e menos preciso será o planeamento.
2 Introdução Devido a estas características por vezes contraditórias, há robôs que praticamente não raciocinam, enquanto outros passam o tempo a raciocinar e actuam muito pouco. Tudo dependendo da tarefa exigida ao robô e do mundo onde actua. Deliberativas Nas arquitecturas deliberativas o robô usa todos os dados sensoriais e toda a informação global que possui do mundo e cria um plano de acção. O robô executa uma pesquisa através de todos os planos possíveis até encontrar um que execute a tarefa. Os robôs futebolistas necessitam de actuar rapidamente, pelo que não tempo para raciocínios elaborados. Um robô manipulador planeia a melhor maneira para recolher um conjunto de peças. O mundo é muito estruturado e o robô tem tempo para planear a melhor estratégia. Este tipo de raciocínio pode ser muito demorado pelo que não é adequado em situações em que o robô tem que actuar com rapidez. No entanto, nas situações em que há tempo, estas arquitecturas são apetecível pois é possível encontrar um plano que optimize a execução de determinada tarefa. Abordagem deliberativa clássica Reactivas Input dos sensores Percepção Modelação Planeamento Execução Output para os actuadores A ideia das arquitecturas reactivas é a ligação directa entre os sensores e os actuadores, de modo a permitir ao robô reagir muito rapidamente a mudanças no seu mundo. O controlo é visto como uma reposta a estímulos. Este método está presente em muitos animais e é muito poderoso. Notar que é suficiente para garantir a sobrevivência de muitos animais que são largamente reactivos. O robô que usa este tipo de arquitecturas tende a ser minimalista pois não necessita de usar muita informação; não tem memória nem uma representação interna do mundo.
3 Abordagem reactiva clássica () Híbridas O objectivo das arquitecturas híbridas é combinar o melhor das arquitecturas deliberativas e reactivas. ensor 1 ensor 2 Comportamento 1 Comportamento 2 Assim, uma parte do cérebro do robô fica responsável pelo raciocínio e planeamento e outra parte toma conta das resposta imediatas a estímulos como por exemplo evitar obstáculos. ensor 3 Comportamento 3 Comportamento 4 ensor Actuadores Para compensar as limitações das duas partes, conciliar as diferentes escalas de tempo em que operam e conciliar os eventuais conflitos entre elas, existe ainda uma terceira parte do cérebro situada entre as outras duas. Atendendo às três partes em que se divide o cérebro do robô, estas arquitecturas são também conhecidas por de Três Camadas. Híbridas Abordagem híbrida clássica A camada intermédia tem ainda as seguintes funções: Armazenar e gerir acções de planeamento de uso frequente sem precisar de planeamento. Planeador Passagem para o planeador, de dados importantes descobertos pela camada reactiva. Interrupção da execução do planeador caso haja necessidade de executar acções em tempo real. Camada intermédia istema reactivo
4 Baseadas em Comportamentos As arquitecturas baseadas em comportamentos são inspiradas na biologia e tentam modelar a maneira como os cérebros dos animais lidam com problemas difíceis de raciocínio e acção. Estas arquitecturas são também formadas por várias partes ou camadas, mas ao contrário das arquitecturas híbridas, as diferentes camadas não são muito diferentes entre si. As camadas são formadas por conjuntos de comportamentos, isto é, processos que recebem inputs e enviam outputs entre si. Baseadas em Comportamentos No caso do robô necessitar planear uma acção antecipadamente, o planeamento é efectuado pela rede de comportamentos, ao contrário de um único planeador como no caso dos sistemas híbridos. Cada comportamento tem a capacidade de reagir a estímulos em tempo real e tal como nas arquitecturas reactivas, ligam directamente sensores e actuadores. Os comportamentos têm ainda a capacidade de construir representações e modelos do mundo. Exemplo de uma arquitectura baseada em comportamentos Robô Bombeiro Camada de navegação Comportamento 1: Navegar nos corredores Movimentação ao longo das paredes dos corredores segundo a regra da mão direita. Comportamento 2: Evitar a mobília... Camada de detecção e extinção da vela Comportamento 1: Verificar quartos Caso esteja a passar em frente da entrada de um quarto, verificar se existem emissões de radiação ultravioleta provenientes do quarto. Camada de mapeamento Comportamento 1: Determinar posição via odometria Comportamento 2: Detectar marca... Relação entre o tempo e as diferentes arquitecturas Deliberativas Olham para o futuro antes de decidir o que fazer (planeamento). Reactivas Respondem aos estímulos imediatos que recebem do meio ambiente. Não olham nem para o passado nem para o futuro. Híbridas Respondem aos estímulos urgentes, enquanto gastam tempo a planear acções. Pode haver necessidade de esperar que o raciocínio termine ou ter que se interromper a reacção tendo em conta nova informação. Baseadas em comportamento Raciocinar e actuar ao mesmo tempo, mas espalhar o raciocínio pelos deferentes comportamentos. Isto permite raciocinar à medida que se actua.
5 Alguns aspectos condicionantes na escolha de uma arquitectura -> uporte de paralelismo -> Parametrização em run-time -> Modularidade -> Robustez -> Facilidade de uso -> Avaliação do desempenho Esta arquitectura foi desenvolvida pelo Prof. Rodney Brooks do Lab. de Inteligência Artificial do MIT. A arquitectura proporciona uma maneira de combinar o controlo distribuído em tempo real, com comportamentos disparados por informação sensorial. Os comportamentos são simplesmente níveis de controlo que são executados em paralelo, sempre que determinados sensores os dispararem. A figura ilustra um comportamento que liga directamente sensores com actuadores. A rotina Evitar contem um algoritmo que implementa um comportamento reflexivo simples. Imaginemos um robô equipado com um sonar formado por um anel de sensores de distância. onar Evitar Motores e a distância lida pelo sensor da frente é inferior a uma dado limiar, Evitar envia um comando para parar o movimento do robô para a frente. onar é uma rotina que opera três sensores e mantém os valores de distância actualizados. Motores é uma rotina que opera os motores enviando a corrente necessária ao controlo destes. Evitar é uma rotina que processa as distâncias que recebe do driver onar e envia constantemente comandos de controlo de motores para o driver Motores e algum dos sensores do anel, excepto o de traz, ler uma distância inferior ao dado limiar, Evitar roda o robô até o sensor de traz apontar na direcção da leitura anterior. Quando o sensor de traz ler a distância inferior ao dado limiar, Evitar comanda os motores de modo a que o robô se desloque para a frente. e todos os sensores lerem uma distância maior que o dado limiar, o robô fica parado.
6 O processamento envolvido é muito simples e pode ser facilmente implementado num dos microcontroladores estudados. O comportamento que emerge é tal que faz o robô manter uma distância mínima entre si e os objectos visíveis pelo sonar. Com esta abordagem que liga directamente os sensores aos actuadores, o robô consegue responder às rápidas mudanças no seu mundo. Veremos a seguir como podemos acrescentar novos comportamentos ao robô sem ter que redefinir os comportamentos já implementados. Nível_bateria Detector_IV onar Recarregar Evitar Motores O novo comportamento Recarregar tem como objectivo conduzir o robô até a um carregador de baterias e ligar o robô a esse carregador, sempre que o sensor Nível_bateria indicar que a mesma está fraca. Assuma-se que a localização do carregador de baterias é assinalada por um emissor de IV que é detectado pelo robô através do sensor Detector_IV. Os dois comportamentos competem agora entre si pelo controlo dos motores. No entanto, o comportamento Recarregar deveria ter prioridade sobre o comportamento Evitar. Isso é conseguido através a da inclusão do nó supressor. Nível_bateria Detector_IV onar Recarregar Evitar Motores Os comportamentos Recarregar e Evitar produzem uma cadeia de mensagens que se juntam num nó supressor. As mensagem que chegam ao nó vindas de uma conexão dominante (a que tem a seta), suprimem as mensagens de conexões inferiores. Isto é, apenas as mensagens dominantes passam para Motores, as restantes são perdidas. Quando não existem mensagens na ligação dominante, as mensagens da ligação inferior passam e chegam a Motores. Este estilo de programação em que o sistema de controlo do robô é implementado numa rede de comportamentos, é a essência da arquitectura subsumption. Características especiais da arquitectura ubsumption A ligação directa entre os sensores e os actuadores significa que a maioria dos comportamentos pode ser vista como simples reflexos. Isto é importante porque este tipo de sistemas não necessita de um modelo do mundo. Uma vez que não há um modelo, o robô necessita de muito pouca memória e o processamento é trivial o que permite a implementação em microcontroladores simples. O sistema de controlo do robô pode ser melhorado de forma incremental adicionando novos comportamentos sem ter que redefinir a estrutura existente. O robô não tem que ficar mais lento à medida que são adicionados novos comportamentos. Uma vez que todos os comportamentos correm em paralelo, o aumento das necessidades de processamento pode ser resolvido com a adição de mais processadores. Comportamentos complexos podem ser obtidos a partir das interacções de comportamentos mais simples.
7 Exemplo mais complexo Multitasking Microfone Detectar_tom Buzzer Como implementar uma rede de comportamentos todos a correr em paralelo, num microcontrolador que por natureza é uma máquina sequencial? Bumper DetectorIV Escapar Evitar A solução é usar multitasking. Cada comportamento é implementado como um processo ou tarefa. Dessa forma o sistema operativo atribui uma certa quantidade de tempo de processamento a cada comportamento, simulando dessa maneira a execução em paralelo de todos os comportamentos. Fotoresistência eguir Navegar Actuadores Para alguns microntroladores que suportam multitasking, a definição de processos é trivial. No caso dos microcontroladores não suportarem multitasking ao nível do sistema operativo, é necessário a sua implementação ao nível da aplicação. Multitasking Há dois métodos para implementar multitasking: preemptive multitasking e cooperative multitasking. O método preemptive multitasking usa um programa relativamente complexo, chamado scheduler para gerir a distribuição de tempo de execução pelos vários processo. É normalmente este o método usado quando o multitasking é implementado ao nível do sistema operaivo. Multitasking No método cooperative multitascking o scheduler é mais simples mas os processos são mais complicados uma vez que cada processo tem que ser capaz de continuar com o processamento no ponto em que ficou na última vez que o controlo de execução foi devolvido ao scheduler. Uma maneira eficiente de passar o controlo de execução entre os processos e o scheduler é implementando os processos através de máquinas de estados finitos. O método cooperative multitascking é mais simples e a gestão da distribuição de tempo de execução pelos vários processo é fita pelos próprios processos. ão os processos que decidem quando devolvem o controlo de execução ao scheduler para que o próximo processo possa iniciar a execução.
8 Máquina de Estados Finitos Imaginemos que queríamos implementar o comportamento Escapar do último exemplo. Esse comportamento pode ser implementado na seguinte máquina de estados finitos. Timeout-1 Estado-2: Virar à direita Timeout-3 Estado-1: À Espera de um toque Toque à esquerda Toque frontal Estado-3: Recuar Timeout-2 Toque à direita Estado-4: Virar à esquerda Escpar Output(Comando_motor) Estado-1: e Bumper = NULL air enão e Bumber = EQUERDO Mudar para Estado-2 enão e Bumber = DIREITO Mudar para Estado-4 enão Mudar para Estado-3 Estado-2: e Tempo-neste-estado > Timeout-1 Mudar para Estado-1 enão Comando_motor = VIRAR_DIREITA air Estado-3: e Tempo-neste-estado > Timeout-3 Mudar para Estado-2 enão Comando_motor = RECUAR air Estado-4: e Tempo-neste-estado > Timeout-2 Mudar para Estado-1 enão Comando_motor = VIRAR_EQUERDA air cheduler Repetir para sempre Chamar Comportamento-1 Chamar Comportamento-2 Chamar Comportamento-3... Chamar Comportamento-n Chamar Arbitragem Arbitragem Motores_Input = Comportamento-1_Output Motores_Input = Comportamento-2_Output Motores_Input = Comportamento-3_Output Motores_Input = Comportamento-4_Output Motores_Input = Comportamento-5_Output...
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