Jerarquıa Dinamica de Esquemas para lageneracion de comportamiento autonomo

D. Jose Marıa Canas PlazaTesis Doctoral

Director: Dr. Vicente Matellan OliveraTutor: Dr. Gregorio Fernandez Fernandez

Contenidos 1/35

Contenidos

1. Introduccion

2. Estado del arte

3. Jerarquıa Dinamica de Esquemas (JDE)

4. Implementacion

5. Experimentos

6. Conclusiones

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1.- Introduccion 2/35

1.- Introduccion

Robotica movil

Generar comportamiento autonomo

Falta flexibilidad

Tareas complejas

¿Problema tecnologico o teorico?

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1.- Introduccion (cont.) 3/35

Arquitectura

La organizacion de las capacidades sensoriales, de procesamiento y de

accion para conseguir un repertorio de comportamientos inteligentes inte-

ractuando con cierto entorno

Repertorio de comportamientos

Informacion desbordante, incierta

Seleccion de accion, atencion

La arquitectura condiciona el comportamiento observable

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1.- Introduccion (cont.) 4/35

Objetivos

Disenar una arquitectura de control

Analizar el estado del arte

Evaluar la arquitectura propuesta

Desarrollar una arquitectura software

Generar un repertorio limitado de comportamientos

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2.- Estado del arte 5/35

2.- Estado del arte

Escuela deliberativa

Escuela reactiva

Sistemas basados en comportamientos

Sistemas hıbridos

Etologıa

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2.- Estado del arte (cont.) 6/35

Escuela deliberativa

Curso especıfico de accion: planificacion y ejecucion

Percepcion objetiva y modelado del mundo

Abstraccion funcional

Shakey [Nilsson,1969], Hilare [Giralt et al,1983], RCS [Albus,1993]

Fragil y lento

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2.- Estado del arte (cont.) 7/35

Escuela reactiva

sensar actuar

SENSORES ACTUADORES

Interaccion continua con el entorno, accion situada

Percepcion subsimbolica

Automatas, Pengi [Agre,1987], [Payton,1990]

No escala

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2.- Estado del arte (cont.) 8/35

Sistemas basados en comportamientos

evitar obstáculo

deambular

explorar

...

sensores actuadores

Reactividad

Subsuncion: suprimir salidas y suplantar entradas

[Brooks,1986], [Arkin,1989], [Maes,1989]

No escala bien

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2.- Estado del arte (cont.) 9/35

Sistemas hıbridos

SECUENCIADOR

CAPA REACTIVA

CAPA DELIBERATIVA

SENSORES ACTUADORES

Capa deliberativa: razonamiento simbolico

Capa reactiva: procesos que se activan discrecionalmente

3T [Bonasso et al,1997], TCA [Simmons,1994], Saphira [Konolige,1998]

Niveles fijos

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas 10/35

3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas

Hipotesis de partida

Comportamiento = percepcion y control

Fragmentacion en unidades (esquemas) asıncronas concurrentes

- de percepcion elaboran estımulos

- de actuacion toman decisiones

La coleccion de esquemas se organiza en jerarquıa

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 11/35

Esquemas

Un esquema es un flujo de ejecucion independiente, con un objetivo

Iterativo

Se puede activar y desactivar a voluntad

Modulable a traves de parametros

Esquemas perceptivos y de actuacion

Su funcionalidad se usa despertandolo y modulandolo

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 12/35

Esquemas perceptivos

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ACTIVACIÓN y PARÁMETROS de MODULACIÓN

ESQUEMA PERCEPTIVO

ESTÍMULO ESTÍMULO ESTÍMULO

SENSORES

Producen estımulos y los mantienen actualizados (anclados)

Simples lecturas sensoriales, transformaciones mas elaboradas o de-

pender de otros estımulos menos abstractos

Estados: dormido o activo

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 13/35

Esquemas de actuacion

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E.PERCEPTIVO E.ACTUACIÓN E.ACTUACIÓN

ACTIVACIÓN y PARÁMETROS de MODULACIÓN

ESQUEMA de ACTUACIÓN

ESTÍMULO ESTÍMULO

Toman decisiones de actuacion para conseguir o mantener un objetivo

Su salida pueden ser comandos a los actuadores o la activacion y

modulacion de otros esquemas hijos

Estados: dormido, alerta, preparado o activo

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 14/35

Jerarquıa

Los esquemas despiertos se ejecutan asıncrona y concurrentemente

Los esquemas se estructuran en jerarquıa, donde hay padres e hijos

Se construye y reconfigura dinamicamente

Es especıfica de cada comportamiento

El numero de niveles depende de la complejidad de la tarea

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 15/35

Seleccion de accion

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����������������������������

����������������������������

����������������������������

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��������������������������������������������������������

1 2

3 4 6 7 8 9

14 15 16 17 1811 12 1310

5

Distribucion: una competicion por nivel

El padre determina el paso de dormido a alerta

La situacion determina el paso de alerta a preparado

De preparado a activo se resuelve con un arbitraje

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 16/35

AUSENCIA

CONTROLSOLAPE de de CONTROLESQ 5

ESQ 5

ESQ 7

ESQ 6

Precondiciones configuran regiones de activacion

Arbitraje explıcito en colisiones y vacıos de control

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 17/35

Suma aditiva de estımulos

Umbral de activación

Activación

Estímulos externosEstímulos internos

Motivación interna

Varios estımulos pueden disparar las precondiciones

Inspiracion etologica: percepcion gestaltica

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 18/35

Monitorizacion continua

El padre monitoriza iterativamente los resultados de sus hijos

Puede cambiar su modulacion o cambiar de hijos cuando le convenga

Modulacion continua con parametros

No descomposicion funcional

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 19/35

Jerarquıa como predisposicion

sigueavanzapara pared

ir apuntoodómetros

sónares

alerta 6= activo

Influencia de etologıa: estımulos clave, reflejos encadenados...

Secuencias flexibles

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 20/35

Percepcion situada

proporcionalCorrecciónIdentificación

pelota

sigue−pelota

Coordinacion entre percepcion y actuacion

Caracter subsidiario de la percepcion

Solo se buscan los estımulos que interesan (atencion)

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3.- Jerarquıa Dinamica de Esquemas (cont.) 21/35

Percepcion estructurada

jambas−3D

puertas

imagen

bordes

visualesjambas

buscapuerta

ir apunto

sónares

Jerarquıa de estımulos

Interpretacion y contexto de percepcion

Percepcion activa

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4.- Implementacion 22/35

4.- Implementacion

18 19 2021 22 2324 25 2627 28

������������

������������

������������

1 2

3 4 5 6 7 8 9

12 13 14 15 16 171110

INTERFAZ de MENSAJES

drivers

servidorOTOS

servidorOCULO

monitorCliente

driverdriver

HW−ROBOT

ACCESO LOCAL

ACCESO REMOTO

pan−tiltcámaramotores sónares odómetros

Cliente controlador JDE

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4.- Implementacion (cont.) 23/35

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4.- Implementacion (cont.) 24/35

Esquemas como hebras

Ejecucion iterativa en bucle infinito

Pausa controlada

Estımulos y parametros de modulacion como variables compartidas

Funcion de arbitraje explıcito

Lista de hermanos

Multiplataforma

Pthreads, variables condicion, cerrojos

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5.- Experimentos 25/35

5.- Experimentos

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5.- Experimentos (cont.) 26/35

Actuacion: taxias

ESQUEMA PERCEPTIVO

Identificaciónpared

fronterasegmentada

ESQUEMA MOTRIZ

en casosControl basado

MotoresCámara local

Separacion entre percepcion y actuacion

Comportamientos sigue-pared, sigue-bola

Comportamiento avanza-rapido-sorteando-obstaculos

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5.- Experimentos (cont.) 27/35

Actuacion: jerarquıas simples

sigueavanzapara pared

ir apuntoodómetros

sónares

Comportamiento ir-a-punto

Comportamiento saque-de-banda

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5.- Experimentos (cont.) 28/35

Actuacion: jerarquıas complejas

sensor motora bola

fase1 fase2 mira siguebolabola

acercarsepasarchutardriblaravanzarAvSensor

volver marcaratacar

delantero

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5.- Experimentos (cont.) 29/35

Actuacion: jerarquıas complejas

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5.- Experimentos (cont.) 30/35

Percepcion: ocupacion del entorno

dinámicarejilla

láser táctiles

segmentos

odómetrossónares

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5.- Experimentos (cont.) 31/35

Anclaje, dinamismo

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5.- Experimentos (cont.) 32/35

Percepcion estructurada: puertas

jambas−3D

puertas

imagen

bordes

visualesjambassónares

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6.- Conclusiones 33/35

6.- Conclusiones

Diseno de una arquitectura escalable, JDE

Analisis crıtico del estado del arte

Comparativa de JDE con otras arquitecturas

Validacion de la arquitectura con experimentos reales

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6.- Conclusiones (cont.) 34/35

Aportes

Jerarquıa permite escalar en complejidad

Incrementalidad aditiva

Inclusion de la percepcion en la arquitectura

Enlace entre robotica y etologıa

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6.- Conclusiones (cont.) 35/35

Limitaciones

No hay aprendizaje, ni memoria

Hay que anticipar todos los casos

Lıneas futuras

Mejorar la implementacion (p.e instancias de esquemas)

Realizar mas experimentos

La etologıa puede aportar mucho (p.e. variables internas)

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D. Jose Marıa Canas PlazaTesis Doctoral

Director: Dr. Vicente Matellan OliveraTutor: Dr. Gregorio Fernandez Fernandez