Mobil robotok szimulációja speci 3. óra

Bevezetés

megismerés folyamata: kategóriákra osztás képessége, kisebb egységekbe csoportosítás, hierarchiák rendszere
az emberi világ építésének része
komplex rendszerek: modularitás
új egész, kicsi, egyszerû, de önmagában is értelmes részekbõl
belsõ kohézió, laza kapcsolat
biológiai jelentõség, evolúciós folyamatok
tengeren hánykolódó tutaj újraácsolása
természet hierarchikus rendszere: makromolekulák, sejtek, szövetek, szervek, szervrendszerek
robotok fejlesztésénél alapelv

Animatok

animal + automaton = animat
animat: szimulált állatok vagy állatszerû robotok
állatok viselkedésének megértése analízissel, majd szintézissel
hasznos állati viselkedési elemek felhasználása robotok építéséhez

Braitenberg jármûvek

Jármûvek, V. Braitenberg 1980-as évek
egyszerû szabályozó mechanizmusokkal mozgó automaták
intelligensnek tûnõ viselkedés, szenzor-irányítás-motor hármasával (nincs memória)
elemi animatok különféle típusai (erõtérszerû vagy anyagkoncentrációs érzékelés)
1. jármû: 1 szenzor, 1 motor, a bemenettel arányos kimenet
egyenes vonalú mozgás
a terep egyenetlensége ezt megváltoztatja
2. jármû: 2 szenzor, 2 motor, a bemenettel arányos kimenet
soros típus:ingerszegény környezet irányába törekszik az ingerrel arányos sebességgel hagyja el a forrást (gyáva)
keresztezett típus:inger felé törekszik, közelítve a forráshoz nõ a sebessége (agresszív)
3. jármû 1. és 2. típusa a 2. jármûvek ellentéte: gátló kapcsolatok
soros típus: lassulva az ingerforrás felé fordul és megáll elõtte (szeretetteli)
keresztezett típus: a forrásnak háttal áll meg, és a kis változások is új keresésre bírják (felfedezõ)
3. jármû 3. típusa összetettebb, 4 pár szenzor, 2 motor
fényre, hõmérsékletre, oxigénre és szervesanyag-koncentrációra érzékenyek
lámpaizzõkra agresszíven, a magas hõmérsékletre gyáván, az oxigénre felfedezõ módon és a szervesanyagra szeretettel reagál a jármû
4. jármû 3. jármûhöz harmadik típusához hasonló
a növekvõ inger egy ponton túl ellentétes hatást vált ki
sajátságos körözõ mozgás alakul ki a forrás körül
nagyon hasonlít repülõ rovarok viselkedésére

Típus	Szenzorok	Motorok	Kapcsolat	Viselkedés
1.	1	1	erõsítõ	egyenes haladás
2.1.	2	2	erõsítõ, soros	gyáva
2.2.	2	2	erõsítõ, keresztezett	agresszív
3.1.	2	2	gátló, soros	szeretetteli
3.2.	2	2	gátló, keresztezett	felfedezõ
3.3.	8	2	összes kombináció	összetett
4.	8	2	összes kombináció, de korlátosan	szaggatott, körkörõs

Kibontakozó viselkedés

Boid
- akadálykikerülés
- orientáció tömegközéppont felé
- sebesség- és iránytartás
hangyatemetõ
- szabad lábak és a környezettõl eltérõ lárva -> felvesz
- szállít és a szállítotthoz hasonló lárvák -> letesz
Kibontakozás egyszerû modulok interakciójából (P. Maes)
- etológiából ismert viselkedések és motivációk egymásra hatása irányítja a robotot
- elemi viselkedésmodulokon alapuló decentralizált architektúra
- modulok: elkerülés, megközelítés, felfedezés, evés, ivás, étel vagy ital megközelítése, menekülés, csata, alvás (mint az elõbbi jármûvek)
- néhány szenzor, ami viselkedésekhez van kapcsolva (pl. víz a közelben-ivás)
- modul paraméterei: aktivációs szint és aktivációs küszöb, (mint K. Lorenz pszichohidraulikus modellje)
  illetve elõfeltételek, hamissá és igazzá tehetõ feltételek listája
- modulok hálózata megelõzõ, rákövetkezõ és konfliktus kapcsolatok mentén egy irányított gráffá alakul
- például keresés megelõzõ kapcsolata az evésnek (étel közelben feltétel)
- menekülés konfliktus kapcsolatban van a harc modullal (ellenfél közel feltétel)
- különféle motivációk: félelem, aggresszió, éhség, szomjúság, fáradtság, kiváncsiság
- kapcsolat a motivációk és a viselkedések között, hogy melyik viselkedés melyik motivációt csökkenti (pl. éhség-evés)
Maes fõ gondolata: az aktuális szituáció és a motivációk által keltett aktivációs energiák végighaladnak a kapcsolatok hálózatán
- minden motiváció növeli a kapcsolt viselkedések aktivációs szintjét
- minden végrehajtható viselkedés növeli az aktivációs szintjét rákövetkezõinek
- minden nem végrehajtható viselkedés növeli az aktivációs szintjét a megelõzõinek
- minden viselkedés csökkenti az aktivációs szintjét a konfliktorainak
- viselkedési láncolatok versenyeznek egymással
- ha egy viselkedés aktivációs szintje átlépi az aktivációs küszöbjét, akkor végrehajtódik
- nincs központi irányítás, mégis a modulok kibontakozása elfogadható viselkedést hoz létre

Magába foglaló (subsumption) architektúra

Rovarok különféle járásmódjai
- lábak egyenként, egymás után
- lábak egyenként, felemelés és leengedés átfedésben
- átellenes elsõ és hátsó egyszerre, középsõk egyedül
- elsõ és hátsó az átellenes középsõvel egyszerre
A subsumption architektúra alapelemei (R. Brooks)
- inkrementális robotépítési mód
- kiterjesztett véges állapotú automaták hálózata
- egy megfelelõ viselkedési szint után új elemek adhatók a hálózathoz a régi elemek módosítása nélkül
- új viselkedési rétegek építhetõk az eddigiekre
- huzalozási diagram formájú struktúra
A kiterjesztett automata felépítése
- véges automata, regiszterek halmaza és belsõ órák
- bemenet a regiszterekbe érkezik fölülírva azokat
- üzenetérkezés vagy óraütés állapotátmenetet eredményezhet
- az állapotátmenet a regiszterek tartalmának függvénye
- az eredmény egy regiszterbe vagy a kimenetre íródik
- a bemenetek érkezhetnek szenzortól vagy másik automatától
- a kimenet motorhoz vagy másik automatához csatlakozik
Kapcsolat az automaták között
- automaták már mûködõ rétegéhez többféleképpen lehet kapcsolódni
- gátló kimeneti csatlakozás elnyomja az eredeti úton érkezõ jelet, amíg fennáll (i)
- elnyomó bemeneti csatlakozás a saját jelét küldi az eredeti helyett, amíg fennáll (s)
- alapértelmezõ bemeneten érkezik a jel, ha az eredeti vonalon nincs jel (d)
- egyforma sebességû órák, aszinkron módon mûködtetve
Az inkrementális felépítés
- az elõbb ábrázolt hatlábú rovar
- lábanként két motor: elõre-hátra (alfa) és föl-le (béta)
- jelölések: felsõ vonal - összesen egy (központi), nincs vonal - lábanként egy, bal felsõ háromszög - input, jobb alsó háromszög - output, szaggatott felsõ vonal - két darab
- Stabil állás
  - lábanként két automata alfa és béta motor pozíciójának beállítása tárolt értékre (alpha pos, beta pos)
  - az alapértelmezés egy stabil pozíció
- Egyszerû járás
  - minden szint az elõzõre épül
  - lábletevés, mint alapmûködés minden lábra (leg down)
  - egy darab alfa egyensúly automata (alpha balance): a lábak szögének összegét konstansként próbálja tartani, egy láb elõre mozgása mindegyiken egyhatodnyi hátra parancsot eredményez
  - alpha advance: felemelt lábnál elnyomja az alfa egyensúly jelét, és elõre irányítja a lábat
  - lábemelés indítás: ha a láb lent van, egy bizonyos idõ után felemelés utasítást kap
  - már csak egy központi indítás-szabályozás kell: járás automata jelet küld hármas lábemelés vagy egyesével emelés formában
- Erõkiegyenlítés
  - durva talajon a robot felborulhat, akadályra lépve az elõre beállított szöget eröltetve
  - beta force automata lábanként méri a földhöz nyomás erejét
  - beta balance automata az elõbbi jelére alapozva elnyomja a láblenyomás mûveletét a lábemelésen keresztül
- Lábemelés
  - lábemelés magassága fordítottan arányos a haladási sebességgel
  - ugyanakkor akadályok átlépéséhez fontos a magasság
  - alfa collide automata mérve az elõrenyúláskori magasságot a lábemelés magasságának regiszterét írja nagyobb értékre
  - ez az érték a következõ lábemelésnél visszaáll az eredeti értékre
- Tapintásérzékelõk
  - a robot elsõ lábának magasabbra emelése tárggyal való ütközés után következik be
  - tapintásérzékelõvel a magasabb emelést korábban ki lehet váltani (feeler)
- Dõlés stabilizálás
  - nagy dõléskor az erõkiegyensúlyozás nem mindig jó: az erõsen támaszkodó elsõ és hátsó lábat fölemeli, amivel növeli a dõlést
  - két automatával (forward pitch, backward pitch) az erõkiegyensúlyozás gátolható
- Követés
  - mozgó tárgy követéséhez elég két új automatát bevezetni
  - az infravörös szenzorra kötött érzékeli, ha valami elhalad a robot elõtt
  - a másik automata (prowl) alapvetõen gátolja a lábemeléseket, így a robot mozdulatlan, de mozgás érzékelésekor enged haladni
- Irányított követés
  - az irányítás bevezetéséhez egy új automata kell (steer)
  - az infravörös szenzorok adatait felhasználva módosítja az alfa pozíció automaták regisztereit, melyek a lábak hátranyújtásának szögéért felelõsek (szeretetteli animat)
Konklúziók
- 57 automatából álló hálózat
- robusztus viselkedés, minimális központi irányítással
- magasszintû viselkedések integrálhatók alacsony szintû viselkedések megvalósítására alkalmas rendszerbe
- makro viselkedések, elemi viselkedésekbõl létrehozhatók
- további javulás érthetõ el jobb szenzorok bevezetésével
- nem neurális hálózat, mert kevés kapcsolat, inhomogén feldolgozó elemek és biológiailag nem megalapozott

Tanulás

a mesterséges intelligencia egyik sarokpontja
Egy számítógépes program tanul egy E tapasztalatból egy T feladatra és P teljesítmény-mértékre nézve, ha az E felhasználásával egy idõ után a T feladatot jobban végzi el P szerint.
Például: autóvezetés programja
- T - vezetés hagyományos többsávos autõpályán képi információk felhasználásával
- P - hiba nélkül megtett átlagos távolság
- E - képsorozatok és hozzájuk tartozó emberi kormánymozdulatok
tanuló rendszer létrehozása egy döntési folyamat eredménye
tanuló rendszer tervezésének lépései (sakk példáján keresztül):
- az E tapasztalathalmaz kiválasztása
  - direkt tapasztalat (állások és hozzájuk tartozó helyes lépések)
  - indirekt tapasztalat (állások és végeredmény)
  - játszmák önmaga ellen
  - ...
- a célfüggvény, feladat (T) kiválasztása (mit oldunk meg?)
  - állások -> lépés
  - állások -> érték
  - ...
- a feladatreprezentáció kiválasztása (hogyan oldjuk meg?)
  - polinomiális függvény
  - néhány jellemzõ lineáris függvénye
  - mesterséges neurális háló
  - ...
- tanulási algoritmus kiválasztása
  - lineáris programozás
  - gradiens módszer
  - Monte-Carlo módszer
  - kifejezésfák
  - ...
induktív és analitikus tanulás (H-hipotézistér, D-példahalmaz, h-célhipotézis, B-alaptudás(törvényszerûségek)) (függvény-approximáció, tételbizonyítás)
tanulás tanítóval (Popper)
tanulás megerõsítés útján: korbács vagy cukor (fogalmazás) (Skinner)
önszervezõdés: a bemenet belsõ struktúrájának felismerése (koccanások)
döntési fák (attribútum-értékek ágaihoz kimenetet rendelünk) (tenisz)
evolúciós algoritmusok (Darwin)
Bayes-módszerek: hipotézis és adatok valószínûségének összefüggéseibõl a legvalószínûbb hipotézist adja vissza