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Seminário 1 - Arquitetura de controle

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ARQUITETURA DE CONTROLE: 
TIPOS E CONCEITOS 
Deivison Guarines Furtado 
Guilherme Pereira Marchioro Bertelli 
Isaac Diego Tavares de Souza 
Rodrigo José Araújo Damasceno 
 
Sistemas Robóticos Autônomos 
 
UFRN – DCA – Setembro de 2013 
 
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 Introdução 
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 Introdução 
• Uma arquitetura para robô móvel descreve uma maneira 
de se construir o software de controle inteligente do robô, 
apresentando quais os módulos que devem estar presen- 
tes no sistema, e como estes módulos interagem entre si; 
 
• Arquitetura = Guia para implementação do Sistema de 
Controle; 
 
• Algoritmos e restrições podem ser impostas na imple- 
mentação dos módulos do sistema; 
 
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 Introdução 
• Componentes básicos utilizados em um sistema de con- 
trole, utilizados para definir uma arquitetura, são classifi- 
cados em três grupos: 
 
1. Percepção; 
2. Planejamento; 
3. Atuação; 
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 Introdução 
• Classificação de uma arquitetura para robôs, relacionada 
ao uso de deliberação e/ou reatividade no sistema de 
controle: 
 
1. Arquitetura Deliberativa; 
2. Arquitetura Reativa; 
3. Arquitetura Híbrida; 
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 Introdução 
Deliberação: 
 
• Está associada ao processo de tomada de decisão ou 
planejamento das ações e movimentos do robô utilizando 
um modelo interno do mundo para que se possa alcançar 
um determinado objetivo; 
 
• Envolve uma análise abrangente do modelo interno do 
mundo para determinar as ações do robô de forma que 
este alcance seus objetivos; 
 
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 Introdução 
Deliberação: 
 
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 Introdução 
Reatividade: 
 
• Associada a execução de ações pré-definidas em respos- 
ta a uma informação sensorial obtida localmente; 
 
• Tomada rápida de decisões; 
 
• Estímulo-resposta; 
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 Introdução 
Reatividade: 
 
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 Introdução 
• O grau de deliberação e reação encontrado nas arquite- 
turas pode variar continuamente; 
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 Introdução 
• Classificação segundo a abordagem utilizada no desen- 
volvimento da Arquitetura: 
 
1. Funcional; 
2. Comportamental; 
3. Mista; 
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 Introdução 
Desenvolvimento orientado à funções: 
 
• Identificam-se módulos ou componentes que possuem 
funções definidas dentro da arquitetura; 
 
• Projetista deve se preocupar em identificar as funções 
internas da arquitetura e dividi-las em módulos; 
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 Introdução 
Desenvolvimento orientado ao comportamento: 
 
• Arquitetura é formada principalmente por componentes 
chamados comportamentos, responsáveis pelas ações 
do robô; 
 
• Projetista está interessado em identificar ações e tarefas 
que o robô deve realizar, e separar estas ações e tarefas 
em módulos; 
 
 
 
 
 
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 Introdução 
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Comportamento: 
 
• Em robótica, o termo comportamento pode ter diferentes cono- 
tações dependendo do contexto em que é utilizado; 
 
• Geralmente, comportamento = componente da Arquitetura; 
 
• No contexto de Arquiteturas reativas, comportamento pode ser 
definido como sendo uma função ou procedimento que mapeia 
entradas sensoriais diretamente a padrões de ações motoras 
usados para cumprir uma tarefa; 
 
• Também pode ser usado em robótica para se referir ao 
comportamento emergente do robô; 
 
 Introdução 
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Comportamento emergente: 
 
• Não é definido de forma explícita na arquitetura; 
 
• Surge da interação dos diversos comportamentos (com- 
ponentes) da arquitetura entre si e com o ambiente quan- 
do o sistema de controle é executado; 
 
• Neste caso, comportamento se refere ao resultado que 
pode ser observado quando o sistema de controle está 
em operação, ou seja, as ações que o robô realiza vistas 
a partir de um observador externo; 
 
 
 
 Arquiteturas 
Deliberativas 
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 Arquiteturas Deliberativas 
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• Utilizada nos primeiros trabalhos em robótica móvel; 
 
• Procura imitar o processo de planejamento e tomada de 
decisão do homem para que o robô realize uma tarefa; 
 
• Conhecimento é armazenado em um modelo interno do 
mundo que pode ser construído a partir do conhecimento 
a priori sobre o ambiente e de informações adquiridas 
pelos sensores do robô. 
Arquiteturas Deliberativas 
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• O modelo que o robô possui do mundo pode ser repre- 
sentado de formas diferentes: 
 
1. Simbólica, baseada em lógica; 
2. Mapa espacial métrico; 
3. Outras; 
Arquiteturas Deliberativas 
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Mapa espacial métrico: 
 
• Objetivo é representado por uma posição ou configuração 
que o robô deve assumir em uma tarefa de navegação; 
 
Simbólico: 
 
• Permitem uma descrição mais elaborada do objetivo, e 
tarefas mais complexas e abrangentes que navegação 
podem ser realizadas; 
 
Arquiteturas Deliberativas 
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• Objetivo definido => Planejamento de ações; 
 
• O modelo interno é amplamente analisado; 
 
• Obtêm-se um conjunto de ações que possibilite ao robô 
realizar sua tarefa e atingir seus objetivos de forma efi- 
ciente ou ótima, devido ao modelo de mundo; 
 
• Modelo deve ser consistente, confiável, preciso e com- 
pleto; 
 
• SMPA (Sense-Model-Plan-Act); 
Arquiteturas Deliberativas 
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• Arquiteturas fortemente deliberativas => mais adequadas 
para ambientes praticamente estáticos e muito bem con- 
trolados; 
 
• Robô Shakey, um dos primeiros robôs móveis, construído 
no Stanford Research Institute, é puramente deliberativo; 
 
• Robô HILARE; 
 
• Stanford cart; 
 
 
Arquiteturas Deliberativas 
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 Arquiteturas Deliberativas 
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• Arquiteturas deliberativas à serem apresentadas: 
 
1. Nested Hierarchical Controller (NHC); 
 
2. NIST Real-time Control System (RCS); 
 
Arquiteturas Deliberativas 
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Nested Hierarchical Controller (NHC): 
 
• Robô coleta informações sensoriais e combina estas in- 
formações em uma estrutura de dados que representa o 
modelo do mundo; 
 
• As informações adquiridas podem ser combinadas no 
modelo do mundo juntamente com conhecimentos for- 
necidos a priori; 
 
 
 
Arquiteturas Deliberativas 
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Nested Hierarchical Controller (NHC): 
 
 
 
Arquiteturas Deliberativas 
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Nested Hierarchical Controller (NHC): 
 
• O planejamento é decomposto em três níveis hierár- 
quicos ou níveis de abstração: 
 
1. Planejador da missão; 
2. Navegador; 
3. Piloto; 
 
• De um nível para outro, o planejamento vai se tornando 
mais específico, local, e detalhado. 
 
Arquiteturas Deliberativas 
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NIST Real-time Control System (RCS): 
 
• Baseado no NHC; 
 
• Foi criada para servir como um guia para fabricantes que 
queiram adicionar mais inteligência a seus robôs; 
 
• O Modelo do mundo também está organizada de forma 
hierárquica em diversos níveis de abstração, acompa- 
nhando a hierarquia de planejamento; 
Arquiteturas Deliberativas 
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NIST Real-time Control System (RCS): 
 
Arquiteturas Deliberativas 
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NIST Real-time Control System (RCS): 
 
• Módulos de percepção sensorial são responsáveis pela 
atualização do modelo do mundo, e também acom- 
panham a divisão hierárquica da arquitetura; 
 
• Simula planos de ação para verificar se estes satisfazem 
os requisitos da tarefa; 
 
• Em qualquer nível de hierraquia, o homem pode substituir 
completamente as atividades do sistema com sua ca- 
pacidade de percepção, tomada de decisões, e controle 
na execução de tarefas. 
Arquiteturas

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