Mobil robotok szimulációja speci 11. óra

Lego robotok

Gyermekkori konstrukciós játék, számítástechnikai támogatással kiegészítve.
A Lego filozófiája: minden korosztály érdekelt a kisiskolásoktól a képzett programozókig.
RCX hardver- és NQC szoftvereszköz, mellett egyebek is. (MIT)

RCX

Népszerû az ELTÉ-n is használt hardvereszköz.
Programozható, mikrokontroller alapú, Lego kocka a Robot Feltaláló Rendszer (Robotic Invention System) eleme.
Megszokott csatlakozással felszerelhetõ, három aktor, három szenzor kezelhetõ.
Infravörös port irányításra és lefordított programok letöltésére.
H8/3292 típusú Hitachi mikrokontroller, mely 32 kilobájt memória, 6 kilobájt hasznos bájtkód-terület: hat felhasználói program egyidejû tárolására.
Elõny: teljesen önállóság az elemek miatt.
szenzorok:
- hõmérséklet 0 és 50 fok közötti értékek analóg kijelzésére
- A fényszenzor 0,6 és 760 Lux között fényforrásokhoz és színes Lego elemekhez.
- Bináris nyomásérzékelés a kapcsolóval, két robothoz vagy a robot saját alkatrészeihez.
- A 16 fokozatú digitális elfordulásszenzor forgó alkatrészek mozgásának követésére.
aktorok:
- Nyolcfokozatú motor elõre-hátra mûködhet.
- Lámpa robotkommunikációhoz.
- Kürt: jelzés a fejlesztõnek.

A Robolab

A Lego cég által kiadott, hivatalos programozási felület.
Gyerekeknek, oktatási célokra.
Összefüggõ, irányított gráf építése, a gráf elemei egy zöld és egy piros jelzõlámpa között az ismert RCX szenzorok és aktorok.
Bonyolultsági szintek a különbözõ korúaknak.
NQC-nél szûkebb lehetõségek.

NQC

Az RCX programozásához, D. Baum fejlesztése, Not Quite C.
Nqce, mely egy Java alapú szövegszerkesztõ.
RCX Command Center Windows-on, irányításra is.
C-hez hasonló, egyszerû nyelv: a kulcsszavak többsége, a változónevek, a konstansok, a megjegyzések, az értékadások, a programkonstrukciók és a függvényhívások képzése sem különbözik.
A program itt is globális változók és eljárások halmaza, viszont léteznek szubrutinok vagy taszkok.
A függvényeknek nincs visszatérési értéke, a szubrutinok kódot osztanak meg, de: szubrutinok nem hívhatják meg egymást, szubrutinhoz nem tartozhat argumentum és visszatérési érték, sõt még lokális változó sem, és csak 8 lehet belõlük.
Taszk kódok párhuzamos végrehajtására. NQC taszk - RCX taszk, de maximum 10 lehet belõle.
Csak int típusú változók, preprocesszor.
Szenzorértékek (SENSOR_1), szenzortípusok ( SENSOR_TYPE_ROTATION, SENSOR_TYPE_TEMPERATURE, SENSOR_TYPE_LIGHT, SENSOR_TYPE_TOUCH, SENSOR_TYPE_NONE) az érzékelõfajtákra, szenzormódok (SENSOR_MODE_RAW, SENSOR_MODE_BOOL, SENSOR_MODE_EDGE, SENSOR_MODE_PULSE, SENSOR_MODE_PERCENT, SENSOR_MODE_FAHRENHEIT, SENSOR_MODE_CELSIUS, SENSOR_MODE_ROTATION) a visszaadott érték alakítására:
- SetSensor(sensor,configuration) Konfiguráció kiválasztása. Elõre definiált típus és mód párosok közül lehet választani.
- SetSensorType(sensor,type) Szenzortípus kiválasztása.
- SetSensorMode(sensor,mode) Szenzormód kiválasztása.
- ClearSensor(sensor) Szenzorérték törlése, kumulatív mennyiségek (elfordulás, periódus) mérése esetén.
- SensorValue(n) Szenzor aktuális értékének visszaadása. A további függvényeknél nem lehet a szenzorkonstansokat használni.
- SensorType(n) Szenzortípus visszaadása.
- SensorMode(n) Szenzormód visszaadása.
- SensorValueBool(n) Szenzor aktuális értékének logikai értékre konvertált visszaadása.
- SensorValueRaw(n) Szenzor értékének transzformáció nélküli visszaadása.
Aktoroknál: mód, irány, erõsség.
- SetOutput(outputs,mode) Az aktor mûködési módjának beállítása.
- SetDirection(outputs,direction) Az aktor irányának beállítása.
- SetPower(outputs,power) Az aktor erõsségének beállítása 0 és 7 közötti értékekkel.
- OutputStatus(n) Az aktuális beállítás visszaadása.
Ezen kívül: hang, LCD kijelzõ, kommunikáció, idõzítõ, naplózás,...

Miniboard

Nyomtatott áramköri lapra integrált számítógép kisméretû motorok irányítására és szenzorok jeleinek feldolgozására.
F. Martin, 1992, MIT Lego robotverseny
Motorola 6811, négy motor, nyolc analóg és nyolc digitális szenzor, RS-232 port, 256 bájt RAM és 2 kilobájt programmemória.
Futtatás/letöltés kapcsoló, egy megszakítás és egy reset gombbal tudja befolyásolni a kártya mûködését, visszajelzést a feszültség és a letöltés LED-ektõl kaphat.
Assembly vagy Micro-C nyelven programozható.
Micro-C utasítások:
- analog(int port) Analóg szenzor aktuális értékének lekérdezése, a válasz 0 és 255 között lehet.
- digital(int port) Digitális szenzor aktuális értékének lekérdezése.
- motor(int m, int s) Az m. motor s erõre állítása, ahol s +16 és -16 között mozoghat.
- off(int m) Motor kikapcsolása, ekvivalens motor(m,0)-val.
- button() A függvény 1-et ad vissza, ha az utolsó meghívása óta eltelt idõben a megszakítás gombot lenyomták.
- msleep(int msec) A kártya nem hajt végre semmilyen mûveletet msec milliszekundumig.
- tone(int freq,int duration) Hang generálása freq frekvenciával, ami a második paraméternek megfelelõ ezredmásodpercig hallatszik.
- printdec(int num) Szám írása a soros portra, hibakereséshez jól használható.
- getch() Karakter fogadása a soros porton keresztül.
- time Az idõ múlását jelzõ integer változó másodpercenként 1000-ig jut el. Hozzáférni az extern int time deklarációval lehetséges.
- rand(int limit) Véletlenszám-generálás adott értékhatáron belül.

A legOS

Nyílt forráskódú, beágyazott operációs rendszer az RCX-re.
1998-ban indult, M. Noga fejlesztése.
C-ben íródott operációs rendszer az RCX-be tölthetõ és ott a bájtkód-interpreter helyét foglalja el. E mellé tölthetõek le a felhasználói programok, melyek dinamikusan linkelõdnek az operációs rendszerhez.
dsensor.h,dmotor.h és lnp alkönyvtár header fájljai.
RCX-RCX és RCX-számítógép kommunikáció a LegOS Network Protocol (lnp) függvényei végzik.
RCX-RCX: broadcast és UDP-szerû címzés
RCX-számítógép: linuxos PC-n futó lnpd démon lnp_addressing_write(uzenet,hossz,cimzett,port), lnp_addressing_set_handler(port,elkapo_handler).

Biológiai vonatkozások

robotika fõ célja intelligensen viselkedõ gépek létrehozása
természetben bevált módszerek alkalmazása
szinte minden absztrakt mûködéshez létezik biológiai megfelelõ
másrészrõl a biológia mélyebb megismerése
más szempontból is kettõs kapcsolat
mit? viselkedés tanulmányozása -> életszerû viselkedés, etológia
hogyan? biológiai struktúrák másolása, idegrendszer -> neurobiológia
Csányi V., Érdi P., D. Redish munkái
a valóság szerteágazóbb, mint a robotikai megfelelõje

Etológia

Az állatok viselkedésének vizsgálata

Érzékelés és viselkedés

visszacsatolás szerepe az érzékelés és a viselkedés között
állandóság kiemelése, saját tevékenységek szerepe
érzékelési modalitások
belsõ receptorok: oxigén, szén-dioxid, ionkoncentráció, hõmérséklet, vízháztartás, vércukorszint
szervek egymáshoz való viszonyának érzékelése: izomhosszúság, végtagok elhajlása, egyensúly
hagyományos, külsõ érzékelõk: látás, hallás, szaglás, tapintás, ízlelés, vibráció, fájdalom, külsõ hõmérséklet, ultrahang, elektromos tér, polarizált fény, ...
az érzékelés szûrõi: a nagy információmennyiségbõl a lényeges elemek kiválasztása
perifériás ingerszûrõk: az érzékszervek elõszûrése (béka bogárdetektora)
központi ingerszûrõk: kulcsinger (vörösbegy vörös foltja), keresõkép (szokatlan kinézetû tárgy keresése a lakásban)

Motiváció és belsõ állapot

belsõ környezet egyensúlyának megteremtése a változó körülmények ellenére (testhõmérséklet, vízháztartás)
szabályozóciklusok, visszacsatolások (pozitív, negatív)
a viselkedés három fõ fázisa: appetencia, konszummáció, szatiáció
appetencia: könnyen reagálás a kulcsingerekre, nagy késztetés
konszummáció: táplálék elfogyasztása, sokkal gépiesebb
szatiáció: nyugalmi idõszak, amikor az állat nem reagál az ingerekre
a három fázis között a motivációk teremtik meg a kapcsolatot (evés: gyomor teltsége, rágás mennyisége, vércukorszint (patkány))
motivációs modellek

Mozgásmintázatok szervezõdése

az egész tudomány az állatok megfigyelhetõ viselkedésével foglalkozik
mozgás különbözõ szintjei: szövetek, szervek, egyedek, populáció
viselkedés öröklött és tanult összetevõkbõl áll
öröklött mozgásmintázatok (ÖMM)
- belsõ késztetés hatására váltódik ki
- veleszületett, genetikailag meghatározott, fajspecifikus, de egyedenként változó, az élet során bármikor szerepet játszhat
- magasabbrendû fajoknál visszaszorul és a tanult formák dominálnak
- formaállandó, megszakíthatatlan, nincs visszacsatolás
- például pók hálószövése, táplálék elrejtése (róka-tojás)
- embernél is létezik: evés közben állandó körülnézés
- használata tanulással módosítható: róka vészkiáltása
- aktivitási központ
- kifáradás, vákuumaktivitás
- szimulációban elõre lekódolt mozgássorozat: Mzperx körbefordulása
reflexek
- külsõ környezet hatásaira válaszreakció
- inger be, latencia, bemelegedés, inger ki, utánlövés
- pislogás, térdreflex, kutya vakaródzása
- Pavlov: feltételes és feltétlen reflexek
taxisok: az állat cselekvését az inger folyamatosan irányítja
- kinézis: a válasz arányos az ingerrel, de nem orientál (papucsállatka - szén-dioxid-koncentráció)
- klinotaxis: egymás után érkezõ ingerek intenzitáskülönbsége egy szenzoron (kék dongólégy lárvájának fénykerülése)
- tropotaxis: inger egyidejûleg két receptoron (Braitenberg-jármûvek)
- telotaxis: irány érzékelése egy szenzorszervvel is (vadászat egy szemmel)
- mnemotaxis: memória használata
összetett mozgásmintázatok: az eddig felsorolt elemiekbõl építkezés (nyári lúd tojásgörgetése)
mozgásmintázatok kölcsönhatásai: mozgásmintázatok hálózata, kizárás, maga után vonás, és együtt megjelenés kapcsolati formákkal

A hormonok szerepe a viselkedésben

szabályozó funkciót betöltõ belsõ vegyületek
mirigyek vagy neuronok termelik
növekedés, anyagcsere, vízháztartás, szaporodás szabályozása
aktiválás: hormon jelenléte aktivál egy viselkedést
- imádkozó sáska fej nélküli párzó mozgása - hasi idegdúc hormonkibocsátásnak gátlása
- báb kikelési idejének szabályozása
organizációs hatás lassú egyedfejlõdési folyamatokon keresztül
- rovarok állapotváltozásai
- téli bunda
- nemi hormon - szexuális aktivitás, agresszió, dominanciaviszonyok

Biológiai ritmusok

lepkék hajnali kikelése a páratartalom szempontjából kedvezõ
biológiai óra: belsõ ritmusközpont és külsõ ritmusszinkronizáló hatás
ritmicitás jellemzõi: ciklus, periódus, amplitúdó, amit sok minden befolyásolhat
sokféleség: évi (téli alvás), napi (pihenés), napon belüli ritmusok (evés), folyamatos (levegõvétel)
öröklött és tanult tényezõk
muslica esetében 24, 19 és 28 óra napi ciklusú egyedek génkészletében az eltérés kimutatható
tanulás: egerek 20-28 órás napi ciklusra áthangolhatók
emberi több idõzónát érintõ repülés
deprivációs kísérletek

A magatartás idegélettani alapjai

fejlettebb élõlények viselkedését alapvetõen meghatározó szervrendszer
alapvetõ szerkezeti egység a neuron
molekuláris szerkezetekbõl álló gép, amire vegyületek hatnak
sejttest, axon, dendrit, szinapszisok
információ terjedése a sejten belül elektromos úton
-70 mV nyugalmi potenciál (Na+ kívül, K+ belül), depolarizáció, akciós potenciál (tüzelés), refrakter periódus (Na-K pumpa)
információ terjedése a sejtek között kémiai úton
szinaptikus hólyagocskák ingerületátvivó anyagokat választanak ki (noradrenalin, acetilkolin, peptidek), dendrit depolarizációja
láthatóan bonyolultabb, mint az eddig vizsgált modellek
hálózatos idegrendszer
ember moduláris idegrendszere

Szint	Változók	Leíró egyenletek
molekula	kémiai összetétel	reakciókinetika
membrán	membránpotenciál	Hodgkin-Huxley egyenletek
sejt	sejtaktivitás	McCulloch-Pitts modell
szinapszis	szinpatikus erõsség	elemi tanulási szabályok (Hebb)
hálózat	szinaptikus erõsségi mátrix	tanulási szabályok
idegcentrum	hierarchikus modellek
idegrendszer

Kognitív térkép, környezeti modell

a kognitív térkép jellemzõi
- memóriában tárolt információ a környezet jellegzetességeirõl, viszonyairól (tanulás)
- élõhely, rejtekhely, táplálék forrás felismerése, összekapcsolása
- sokáig nem hittek létezésében, de kísérletekkel bizonyítható
- belsõ reprezentáció, ami nem hasonlít a hagyományos térképekhez
- fajspecifikus, nagyban függ a szenzoroktól
- labirintustanulási kísérletek olyan állatokkal, melyek ilyen környezetben otthonosan mozognak (hangyák, rágcsálók)
- csimpánzok esetében már a környezet dinamikus modellje épül ki, rendkívül hosszú emlékezéssel, és a változások követésével
- öröklött instrukciók: a térképet csak elõre meghatározott feladatokra lehet használni (cukormadár viráglátogatása - "nyersz maradj- nyersz válts" stratégiák, labirintusos feladatok, kismacska mélységérzékelése)
a kognitív térkép felépítése rágcsálóknál
- rengeteg különféle kísérlet: aréna, T, Y, + alakú szobák, sugaras kiépítés
  összetett labirintusok
- a legegyszerûbb mozgásformákhoz, amikor látható a cél, vagy fix irányba lehet haladni, is komoly neurális háttér kapcsolódik
- térképépítés több részfeladatra bontható: lokális kép, fejirány, útvonalösszegzés, helykódolás, célmemória
  - a lokális kép eltárolása, a tereptárgyak megfelelõ reprezentálása (pontszerû tereptárgyak, felületek, irányzékot segítõ távoli tárgyak), nem feltétlenül csak látvány
  - fejirány kezelése
    - ábra a fejiránysejtek gyûrûszerû elhelyezésérõl
    - önszervezõdõ versenyzés a gyûrûben a stabil reprezentáció kialakulásához
    - a gyõztes eltolódása a fej szögsebességének adatai alapján
    - reset helyi kép alapján
    - Postsubiculumban található sejtek képesek a fentiekre
  - útvonalösszegzés a térbeli pozíciók egymáshoz viszonyított helyzetének, távolságának rögzítéséhez
    - hajózásban régóta ismert eszköz
    - metrikus koordináták megjegyzése
    - vakon futás: új falba beleütközik a patkány
  - a hely kódolása: az aktuális kép és az útvonalösszegzéssel elõálló fizikai pozíció összekapcsolása
    - hippocampus kiemelt szerepe
    - place cell (helysejt), place field, fix helyen történõ tüzelés
    - robusztus, sötétben is, de áthelyezésre érzékeny
    - folyosókon iránya van, nyílt téren nincs
    - több helyre is érzékenyek, többször tüzelnek
    - különbözõ referencia keretekben teljesen másképp viselkednek
  - célmemória
- ábra a funkcionális összefüggésekrõl
- ábra a biológiai megvalósulásról