8/13/2019 Arquitecturas básicas de control de robots

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Arquitecturas básicas de control de robots

La arquitectura tiene que ver con la organización de la generación de acciones a partir de

las percepciones del robot y con el arreglo de módulos de software para un robot móvil.

Por ejemplo, ir a la meta (luz) evitando los obstáculos.

Se pueden encontrar tres estructuras básicas estas son:

  Arquitecturas deliberativas (Mapas y Planes)

  Arquitecturas reactivas

  Arquitecturas híbridas

Consiste en construir un mapa del ambiente, incluyendo obstáculos y meta. También se

debe generar un plan para ir de la posición inicial a la meta evitando los obstáculos y

ejecutar el plan. Algunas ventajas de este arquitectura es tener un modelo del ambiente que

permite optimizar las acciones para obtener el “mejor” plan. La limitaciones son varias ya que se

necesita tener un modelo preciso del ambiente, altos requerimientos de cómputo y memoria,

dificultad de operar en un mundo dinámico o desconocido y reacción “lenta” a situaciones

imprevistas.

Esta arquitectura está basada en el paradigma de sensa-planea-actua (SPA): Se tiene un

modelo completo (mapa) del ambiente sobre el cual se construye un plan de acción para realizar

la tarea basado en el modelo para luego ejecutar el plan.

Modelo del ambiente

El modelo del ambiente del robot móvil  –  generalmente se representa el espacio libre y elespacio ocupado (obstáculos) mediante una representación geométrica o bien mapa. Hay varios

tipos de mapas de los más conocidos son los métricos y los topológicos. 

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Mapas métricos

En los mapas métricos se representa el espacio libre y/o obstáculos directamente mediante

una discretización la cual se hace mediante descomposición y en forma geométrica.

  Descomposición: se representa mediante una discretización en un con junto de celdasbásicas, por ejemplo Rejilla de ocupación espacial (occupancy grids)

  Geométrico: se representa mediante figuras geométricas básicas en 2 ó 3 dimensiones,

por ejemplo: Triangulación

Mapas topológicos

Los mapas topológicos se considera el ambiente como una serie de lugares y conexiones

entre dichos lugares. Estos se pueden considerar como grafo: donde hay nodos (lugares) y arcos

(conexiones). Además se puede incorporar información métrica al grafo tal como : longitud

y orientación de los arcos. En el siguiente grafico se puede apreciar mapa topológico.

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Plan

El plan es un conjunto de acciones que permiten a un agente (robot) ir de un estado inicial a un

estado final o meta. Los elementos básicos para hacer un plan son:

a)  Estados (por ejemplo la Posición del robot), incluyendo el estado inicial y el estado metab)  Operadores (acciones que llevan de un estado a otro). 

Ejemplo de Plan. Considerando el mapa de rejilla se tienen:

  Los Estados (posición X,Y en el mapa, Estado inicial: 0,0 y Estado meta (luz): Xm, Ym)

  Las Acciones (Movimiento a alguna de las celdas vecinas –X+1, Y+1, X-1, Y-1)

Arquitectura reactiva

En el enfoque reactivo hay una conexión directa de percepción a acción sin necesidad de un

modelo del mundo, normalmente se considera una serie de niveles de comportamiento que

realizan diferentes comportamientos en forma “paralela” (subsumtion architecture). En la

siguiente figura se muestra la arquitectura basada en comportamiento.

Dentro de esta arquitectura hay que realizar un manejo de conflictos ya que al existir varios

módulos en paralelo pueden existir conflictos, que se resuelven dando prioridades a los

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diferentes comportamientos donde el comportamiento de mayor prioridad “suprime” los

otros comportamientos, a continuación se muestran dos casos típicos de decisión.

Algunas ventajas son : Bajo requerimiento de capacidad de cómputo, respuesta rápida;

Facilidad de desarrollo modular; No requiere un modelo del mundo. Las limitaciones son: Difícil de

extender a tareas complejas; Limitaciones sensoriales pueden ocasionar problemas al no

contar con un modelo; No garantiza la mejor solución (óptimo).

Arquitecturas híbridas

Son la combinación de arquitecturas deliberativas y reactivas que intentan aprovechar

ventajas de ambas, por ejemplo:

  Arquitecturas jerárquicas (3 capas)

  Arquitecturas de pizarrón (blackboard)

  Arquitecturas probabilísticas.

Arquitectura Jerárquica

Las arquitecturas jerárquicas de 3 capas tienen tres componentes básicos:

  Capa de planeación: Mecanismo deliberativo (planeador)

  Capa de secuenciación: Mecanismo de ejecución de plan (secuenciador)

  Capa de habilidades: Mecanismo de control reactivo (controlador)

Donde el secuenciador selecciona los mecanismos básicos de la capa de habilidades en

base al plan de la capa de planeación, tal como se muestra a continuación.

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Arquitectura de Pizarrón 

Son un conjunto de módulos o procesos que interactúan mediante un espacio deinformación común llamado pizarrón (blackboard). Cada módulo implemente una función

específica y en conjunto todos realizar la tarea y todos los módulos pueden ver la

información en el pizarrón y actúan en forma oportunística, de acuerdo al que más pueda

aportar en ese momento (coordinador)

 Arquitectura de Pizarrón

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Arquitectura Probabilística

La arquitectura probabilística considera la incertidumbre inherente en el mundo real,

tanto en la información de los sensores como en la ejecución de los actuadores. Se

representan en forma explícita dicha incertidumbre mediante distribuciones de

probabilidad:

  Integración probabilística de sensores

  Mapas probabilísticos

  Acciones basadas en teoría de decisiones (maximizar utilidad)

Se puede crear un mapa de rejilla probabilístico donde cada celda tiene asociada una

probabilidad de estar ocupada.

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A modo de ejemplo se puede observar un mapa de celdas probabilístico de un robot

móvil.