Braitenbergo mašina: tipinis roboto elgsenos modelis PDF

Braitenbergo mašina: tipinis roboto elgsenos modelis  Turinys Robotų elgsenos projektavimas Biomimetika ir biomimikrija Teorinis roboto elgsenos modelis Braitenbergo robotas (mašina) Praktiniai Braitenbergo robotų kūrimo pavyzdžiai BEAM robotika Robotų elgsena...

Braitenbergo mašina: tipinis roboto elgsenos modelis  Turinys Robotų elgsenos projektavimas Biomimetika ir biomimikrija Teorinis roboto elgsenos modelis Braitenbergo robotas (mašina) Praktiniai Braitenbergo robotų kūrimo pavyzdžiai BEAM robotika Robotų elgsena – gamtos pavyzdžių adaptavimas  Biomimikrija - gamtos sistemų ir gyvų būtybių mėgdžiojimas, siekiant spręsti robotų projektavimo ir valdymo problemas Bionika – dirbtinės sistemos, pagrįstos panašia gamtoje egzistuojančia sistema, kūrimas Biomimetika – procesas, imituojantis biologinės medžiagos ar būtybės struktūrą ar funkciją https://www.youtube.com/watch?v=jGP5NxcCyjE Breitenbergo mašina (robotas) Pasiūlė Valentino Braitenberg (Italija, Austrija), 1984 Braitenberg, V. (1984). Vehicles: Experiments in synthetic psychology. Cambridge, MA: MIT Press  Paprastos konstrukcijos roboto modelis, galintis pademonstruoti sudėtingą elgseną mobilus robotas, simetriškas bent vienos ašies atžvilgiu turi du ratus ir bent du jutiklius paprasta reaktyvinio tipo elgsena Biomimikrijos pavyzdys Savaime atsirandantis elgesys - iš pažiūros protingas agento (roboto) elgesys atsirandantis iš sąveikos tarp jo jutiklių ir vykdytuvų. Analogas gyvojoje gamtoje: E. coli bakterija Braitenberg’o roboto aplinka ir sudėtinės dalys Dirbtinė aplinka Plokščias paviršius Sienos nepraleidžia šviesos. Sienos atspindi infraraudonuosius Kairysis Dešinysis spindulius. fotoelementas fotoelementas Šviesos šaltiniai pakabinti lubose. Buferis Ratai skirti judėti bet kuria kryptimi Kairysis IR Buferis skirtas susidūrimui daviklis atpažintiDešinysis IR daviklis IR davikliai skirti šviesos šaltinio Ratai aptikimui  Braitenberg‘o tipo valdymo sistemos struktūra Bendruoju atveju gali būti daug jutiklių Kiekviena jungtis gali būti: stiprinanti (didinanti rato variklio greitį; žymima „+“) arba silpninanti (mažinanti rato variklio greitį; žymima „-„) Storesnės jungčių linijos rodo, kad iš jutiklių perduodamos reikšmės ratų varikliams turi didesnius svorius Braitenberg’o mašinos valdymas Ratai yra tiesiogiai sujungti su šviesos jutikliais Jungtys turi svorius panašiai kaip dirbtiniuose neuroniniuose tinkluose Kiekvienam ratui valdyti, jutiklių vertės padauginamos iš svorių, o sandaugos susumuojamos Gauti rezultatai perduodami ratų varikliams jų sukimosi greičiui (galiai) valdyti Jungimo tipai a) Kiekvienas jutiklis sujungtas su varikliu toje pačioje pusėje b) Kiekvienas jutiklis sujungtas su varikliu priešingoje pusėje c) Kiekvienas jutiklis sujungtas su varikliais abejose pusėse  Teigiami neigiami jungties svoriai Jeigu jungtis yra teigiama (stiprinanti), rato sukimosi greitis yra proporcingas jutiklio signalo vertei Jeigu į ratą ateina teigiamas suminis signalas – ratas pradeda suktis į priekį Neigiami jungties svoriai Jeigu jungtis yra neigiama (slopinanti), rato sukimosi greitis yra priešingas jutiklio signalo vertei Jeigu į ratą ateina neigiamas suminis signalas – ratas pradeda suktis atgal Minuso ženklas reiškia neigiamą grįžtamąjį ryšį Sudėtingas elgesys iš paprastų elementų: Braitenbergo robotas  Sudėtingą elgesį galima pasiekti naudojant paprastus valdymo mechanizmus Braitenbergo mašinos: mobilieji robotai su dviem šviesos jutikliais ir diferencine pavara Sudėtingas išorinis elgesys nebūtinai reikalauja sudėtingo samprotavimo mechanizmo (skaičiavimų) Judėjimas tiesiogiai priklauso nuo šviesos jutiklių grąžinamų reikšmių + + + + - - - - „Baimė“ „Agresija“ "Meilė" „Tyrinėjimas“ Braitenbergo 1-o tipo roboto elgsena: “gyvybė” Turi tik vieną jutiklį ir vieną variklį 1-tipo mašina gali važiuoti tik tiesiai Judėjimo greitis proporcingas jutiklio grąžinamai reikšmei Tiesioginis proporcinis valdymas  1-o tipo Braitenbergo roboto algoritmas  2a tipo Braitenbergo mašinos elgsena: “baimė” Komponentai: 2 šviesos jutikliai, 2 varikliai, kiekvienas jutiklis prijungtas prie variklio toje pačioje pusėje („nesukryžiuotas“) Principas: kuo daugiau šviesos, į kurią sureguliuotas jutiklis, tuo greičiau veikia varikliai („sužadinamas“). Jeigu jutikliai reaguoja į šviesą, tuomet jutiklis esantis arčiau šviesos šaltinio privers atitinkamą ratą suktis greičiau ir robotas nusuks į šoną, tuo parodydamas “baimės” elgseną.  “Baimės” elgsena 2a-o tipo Braitenbergo roboto algoritmas 2a tipo Braitenberg’o robotas: Būsenos diagrama Vengiantis šviesos Braitenbergo robotas (kairėje) ir jos elgesio būsenos diagrama (dešinėje)  2b tipo Braitenbergo mašinos elgsena: “agresija” Komponentai: 2 jutikliai, 2 varikliai, kiekvienas jutiklis prijungtas prie variklio priešingoje pusėje (jungtys „susikryžiuoja") Principas: Kuo daugiau šviesos gauna jutiklis, tuo greičiau varikliai veikia Apibūdinimas: nemėgsta šviesos šaltinio, prie kurio yra pritaikytas jutiklis; jį „puola“ 2b-tipo mašina su stiprinančiomis jungtimis stengsis artėti prie šviesos šaltinio, tuo demonstruodama “agresijos” elgseną Demonstracija http://www.harmendeweerd.nl/braitenberg-vehicles/ 3a ir 3b tipo robotai 3a tipo robotas: Komponentai: 3b tipo robotas: nesukryžiuotos jungtys Elgsena: Nori būti šalia šviesos šaltinio Principas: Kuo daugiau Komponentai: kryžminės šviesos gauna jutiklis, jungtys tuo lėčiau varikliai Elgsena: tyrinėja aplinką veikia („slopinančios“ jungtys). 3a tipo Braitenbergo mašinos elgsena: “meilė” Kiekvienas jutiklis yra prijungtas prie variklio toje pačioje pusėje 3-tipo mašina su silpninančiomis jungtimis stengsis artėti prie šviesos šaltinio Artėjant varikliai veiks vis silpniau, todėl robotas visą laiką bus šviesoje atsigręžęs į šviesos šaltinį, tačiau niekada nepasieks jo Elgsena: Robotas greitėja tamsiose vietose ir lėtėja šviesiose vietose daugiau laiko praleidžia šviesoje ir mažiau laiko tamsoje Robotas "myli“ šviesą. 3b tipo Braitenbergo robotas: „Tyrinėtojas“ Kiekvienas jutiklis yra prijungtas prie variklio kitoje pusėje slopinantis variklis. Robotas Nusigręžia nuo šviesos šaltinių sulėtėja šviesos vietose ir pagreitina tamsius plotus daugiau laiko praleidžia šviesoje ir mažiau laiko tamsoje. Elgsena: robotas tyrinėja šviesias sritis. Sudėtingesnė elgsena, jei yra keli šviesos šaltiniai Jei robotas aptinka stipresnį šviesos šaltinį, pradeda artėti prie jo 3c tipo robotas  Daug šviesos jutiklių Daug jungčių Skirtingi jungčių tipai Stiprinančios / silpninančios Sukryžiuotos / nesukryžiuotos 3c tipo robotas: pavyzdys  Robote gali būti dviejų tipų jutikliai: vienas skirtas raudonai, kitas žaliai šviesai. Raudonos šviesos jutikliai Dėl stiprių teigiamų kryžminių jungčių robotų nukreipiamas į šviesą Žalios šviesos jutikliai Dėl silpnų teigiamų tos pačios pusės jungčių robotas nukrypsta nuo šviesos Rezultatas 3c tipo robotas judės tolimos šviesos link, tačiau priartėjęs prie jos nesusidurs 2-3 tipų suvestinė Braitenbergo robotų taikymai Tropotaksis (tropotaxis) – kai judėjimo kryptis priklauso nuo stimulo (dirgiklio) intensyvumo Biomimetikos atvejis Robotų tropotaksės taikymas paieškos ir gelbėjimo robotai, reaguojantys į žmogaus balsą, šilumos signalų sekimas, siekiant aptikti miškų gaisrus... Braitenbergo robotų taikymai  2b tipo robotas gali būti naudojamas klajojimo uždaviniui spręsti 3a tipo robotas tikslui pasiekti (kelio planavimas) 3b tipo robotas gali išvengti kliūčių (kliūčių vengimas) Kliūčių vengimas naudojant 3b tipo robotą Kuo arčiau objektas, tuo labiau priešingos pusės variklis bus slopinamas. Kuo arčiau objektas, tuo didesnė bus atstumo jutiklio reikšmė. Atstumo Slopinančios jungtys privers ratus suktis jutikliai tolyn nuo kliūties  3b tipo robotas sienų sekimui Galima atlikti tokias užduotis kaip sienų sekimas, kai leidžiama nuskaityti skirtingų jutiklių reikšmes. Kelio planavimas naudojant kelių tipų jungiklius Atstumo (IR) davikliai – kliūčių vengimui Šviesos davikliai – tikslo aptikimui Skirtingo svorio (prioriteto) jungtys  4a tipo robotas: 4a tipas: Turi „instinktus” Variklio aktyvavimo funkcija yra netiesinė (nemonotoninė), pvz., pasiekus max reikšmę vėl mažėja Elgesys tampa sudėtingu: robotas artėja prie šviesos šaltinio, o po to vėl nutolsta arba sukasi aplink šaltinį tam tikru spinduliu 4b tipo robotas: sprendimų priėmimas Komponentai: jutikliai ir varikliai, ir slenkstinė aktyvavimo funkcija Principas: ryšiai ir sužadinantys, ir slopinantys, bet nemonotoniški Elgsena: panaši kaip 3c tipo roboto, tačiau labiau sudėtinga (mažiau nuspėjama) Stimulo signalo intensyvumas 4c tipo Braitenbergo Sigmoidinė funkcija kaip aktyvavimo funkcija robotas Naudojama dirbtiniuose neuroniniuose tinkluose 5 ir aukštesnio tipo Braitenbergo robotai Komponentai: 4 jutikliai, 4 varikliai, kiekvienas pritaikytas skirtingoms U V U V aplinkos savybėms. Principas: galimi jungčių tipai: nekryžiuota/stiprinanti: pvz., sureguliuota pagal temperatūrą sukryžiuotas/stiprinanti: pvz., pritaikytas šviesai nekryžiuotas/slopinantis: pvz., pritaikytas organinėms medžiagoms sukryžiuota/slopinantis: pvz., sureguliuotas iki deguonies lygio Stiprinanti Elgsena: Slopinanti Bijo aukštos temperatūros Agresyvus šviesos šaltinių link; Myli organinę medžiagą (maistą); išeina ir ieško naujo šaltinio, jei aplinka išeikvota; Neramiai ieško geriausio deguonies/maisto šaltinio. Gebėjimai: atpažįsta objektus, ieško resursų 5a tipo robotas: Logika Įvedamos loginės elgesio taisyklės Atminties pradmenys Loginiai elementai (ventiliai) Komparatorius - reaguos į nedidelius ryškumo lygių skirtumus Loginis ARBA – nustatyti reagavimo slenkstį Loginis IR – veiksmų pasirinkimui Komparatorius ARBA IR NE 5b tipo robotas: osciliatorius Ciklinė elgsena (grįžtamasis ryšys) Neuroninis osciliatorius (multivibratorius) – cikliškai besikeičiančios būsenos Osciliatorius / multivibratorius  5c tipo robotas: Monostabilus jungiklis Jutikliai – „ūsai“ Monostabilus jungiklis – Naudojamas paprastam kliūčių vengimo elgesiui realizuoti. Kai stimuliuojamas jutikliai roboto priekyje, variklis įjungiamas atbuline eiga Suprantamas kaip primityvi trumpalaikė atmintis. 6 tipo robotas: Pasirinkimas  Įvedamas atsitiktinumas pasirenkant elgsenos faktorius Nedeterministinė elgsena Robotas stengiasi prisitaikyti prie aplinkos 7-o tipo robotas: Koncepcijos Robotas gali mokytis  Gali pati modifikuoti savo jungčių svorius tarp jutiklių ir variklių Asociatyvinis mokymasis Gali būti realizuota naudojant mašininio mokymosi algoritmą Taikymai: gali būti naudojamas objektų spalvos atpažinimui 8-o tipo robotas: Erdvė Aplinkos atpažinimas Robotas turi jutiklius ir algoritmus reikalingus aplinkos žemėlapiui sudaryti Sudėtingi Braitenbergo robotai 9-o tipo: Formos Robotas gali atpažinti išorinių daiktų formas 10-o tipo: Samprotavimas Robotas iš loginių teiginių gali išvesti naujus teiginius (elgesio taisykles) 11-o tipo: Taisyklės Robotas pats gali susidaryti pasaulio modelį Modeliavimas / realizavimas  Braitenbergo robotą galima modeliuoti naudojant įvairaus tipo signalus ir valdymo architektūras Analoginius Dvejetainius Loginės taisyklės Daugiareikšmius Miglotosios logikos Neuroninius tinklus Aplinka 5 tipo valdymas: dirbtiniai neuroniniai tinklai 6 tipo valdymas: genetiniai algoritmai Evoliucinė robotika 1. Operatorius suprojektuoja ir įgyvendina tikslo funkciją, t.y. kriterijų, pagal kurio vertę įvertinant, kokiu mastu robotas atlieka užduotį 2. Operatorius naudodamas evoliucinį algoritmą modeliuoja roboto jungčių svorius 3. Operatorius į fizinį robotą įkelia geriausią sprendimą ir patikrina, ar sprendimas sėkmingai veikia realiame pasaulyje Praktinis naudojimas: BEAM robotika BEAM robotika – robotai, kurie naudoja analogines grandinės, o ne mikroprocesorius. BEAM: Biologija, Elektronika, Estetika, Mechanika Biologija. BEAM robotai yra suprojektuoti panašūs į gyvus organizmus. Taip jie yra geriau pajėgūs į prisitaikyti prie aplinkos. Elektronika (minimaliai) naudojama valdyti BEAM robotus. Estetika. Forma yra suderinama su funkcija. Mechanika. Robotas gali būti mažas, funkcionalus ir universalus. BEAM robotų tipai Audiotropai reaguoja į garso šaltinius. Audiofilai juda į garso šaltinius.  Audiofobai pasitraukia nuo garso šaltinių. Fototropai reaguoja į šviesos šaltinius. Fotofilai ejuda link šviesos šaltinių. Fotofobai pasitraukia nuo šviesos šaltinių. Termotropai reaguoti į šilumos šaltinius. Termofilai juda į šilumos šaltinius. Termofobai pasitraukia nuo šilumos šaltinių. Saulės robotas: robotas, varomas saulės energija. Visada judės tiesiai. Energija kaupiama kondensatoriuje ir perduodama varikliui. Santrauka Braitenbergo tipo robotas leidžia modeliuoti robotų „sudėtingą elgesį“ paprasto valdymo pagalba Sudėtingas elgesys atsiranda savaime dėl paprastų elgesių apjungimo (sintezės) Naudojant nelinijinius jutiklių ir variklio ryšius, gali atsirasti elgesys, kurio neįmanoma numatyti (t.y., sudėtingas) Net paprastos valdymo architektūros robotas gali turėti sudėtingą elgesį, panašų į primityvių biologinių būtybių (pvz., vabzdžių) elgesį Šio tipo sistemą Brooksas pavadino intelektualia Sudėtingų tipų Braitenbergo robotai numatė dirbtinio intelekto raidą