Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект. Современный подход (2-е изд., 2006) (1245267), страница 329

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 329)

Для таких задач в большей степени подходят алгоритмические средства управления. В связи с этим в большинстве вариантов робототехнических архитектур реактивные методы используются на низких уровнях управления, а алгоритмические методы — на более высоких уровнях. Такая комбинация средств управления уже встречалась в данной главе в описании Рь)-контроллеров, где было показано, как сочетается (реактивный) РГ1-контроллер с (алгоритмическим) планировщиком пути.

Архитектуры, в которых сочетаются реактивные и алгоритмические методы, обычно называют 'в. гибридными архитектурами. Обобщающая архитектура 'а. Обобщающая архитектура [! 89) представляет собой инфраструктуру для сборки реактивных контроллеров из конечных автоматов. Узлы этих автоматов могут содержать средства проверки для некоторых сенсорных переменных, и в таких случаях трассировка выполнения конечного автомата становится обусловленной результатом подобной проверки. Дуги могут быть размечены сообщениями, которые вырабатываются при прохождении по этим дугам, после чего сообщения передаются в двигатели робота или другие конечные автоматы. Кроме того, конечные автоматы оборудованы внутренними таймерами (часами), которые управляют затратами времени, требуемыми для прохождения дуги. Полученные в итоге автоматы обычно на- 1228 Часть ЧП.

Общение, восприятие и осуществление действий зывают 'ж дополненными конечными автоматами, или сокращенно АГБМ (Ацйтепгео Е(п11е Бгаге Мас(з(пе), где под дополнением подразумевается использование часов. Примером простого автомата АГБМ может служить автомат с четырьмя состояниями, показанный на рис. 25.21, б, который вырабатывает команды циклического движения ноги для шестиногого шагающего робота. Этот автомат АГБМ реализует циклический контроллер, который действует в основном без учета обратной связи от среды. Тем не менее обратная связь от датчика учитывается на этапе переноса ноги вперед.

Если нога не может пройти вперед, что означает наличие впереди препятствия, робот отводит ногу немного назад, поднимает ее выше и предпринимает попытку еще раз выполнить шаг вперед. Поэтому данный контроллер приобретает способность реагировать на непредвиденные ситуации, возникающие в процессе взаимодействия робота со своей средой. В обобщающей архитектуре предусмотрены дополнительные примитивы для синхронизации работы автоматов АРБМ, а также для комбинирования выходных данных, поступающих от многочисленных, возможно конфликтующих автоматов АГБМ. Благодаря этому такая архитектура позволяет программисту компоновать все более и более сложные контроллеры по принципу восходящего проектирования.

В рассматриваемом примере можно начать с создания автоматов АГБМ для отдельных ног, а вслед за этим ввести автомат АРВМ для координации действий одновременно нескольких ног. В качестве надстройки над этими автоматами можно реализовать такое поведение высокого уровня, как предотвращение столкновений с крупными препятствиями, для чего могут потребоваться такие операции, как отступление и изменение направления движения. Идея компоновки контроллеров роботов из автоматов АГБМ весьма заманчива.

Достаточно представить себе, насколько сложно было бы выработать такое же поведение с использованием любого из алгоритмов планирования пути в пространстве конфигураций, описанных в предыдущем разделе. Прежде всего, потребовалось бы точная модель местности. Пространство конфигураций робота с шестью ногами, каждая из которых приводится в действие двумя отдельными двигателями, имеет общее количество измерений, равное восемнадцати (двенадцать измерений для конфигурации ног и шесть для локализации и ориентации робота относительно его среды).

Даже если бы применяемые компьютеры были достаточно быстродействующими для того, чтобы обеспечить поиск путей в таких многомерных пространствах, все равно нельзя было бы избавиться от необходимости учитывать такие неприятные ситуации, как скольжение робота по склону. Из-за таких стохастических эффектов единственный найденный путь через пространство конфигураций был бы наверняка слишком трудновыполнимым, и с возможными непредвиденными ситуациями не помог бы справиться даже Р)О-контроллер. Иными словами, задача выработки поведения, определяющего движение с помощью алгоритмических расчетов, слишком сложна для современных алгоритмов планирования движения робота. К сожалению, обобщающая архитектура также не лишена недостатков.

Во-первых, автоматы АЕБМ обычно действуют под управлением непосредственно полученных сенсорных входных данных. Такая организация работы оправдывает себя, если сенсорные данные надежны и содержат всю необходимую информацию для принятия решения, но становится неприемлемой, если есть необходимость агрегировать сенсорные данные, полученные за определенные промежутки времени, с помощью нетривиальных способов. Поэтому контроллеры обобщающего типа в основном 1229 Глава 25. Робототехника применяются для решения локальных задач, таких как прохождение вдоль стены или движение к видимым источникам света. Во-вторых, из-за отсутствия средств выполнения алгоритмических расчетов изменение задания для робота становится затруднительным.

Робот обобщающего типа обычно выполняет только одно задание, и нет такого способа, который позволил бы модифицировать его средства управления таким образом, чтобы он приспособился к выполнению других задач управления (в этом роботы такого типа полностью аналогичны навозному жуку, о котором речь шла на с. 1). Наконец, в работе контроллеров обобщающего типа трудно разобраться. На практике возникают такие запутанные взаимодействия десятков одновременно функционирующих автоматов АР5М (и со средой), что большинство программистов не в состоянии их проанализировать. По всем этим причинам, несмотря на свою огромную историческую важность, обобщающая архитектура редко используется в коммерческой робототехнике.

Но для некоторых ее потомков судьба сложилась иначе. Трехуровневая архитектура В гибридных архитектурах реакции объединяются с алгоритмическими вычислениями. Одним из видов гибридной архитектуры, намного превосходящим другие по своей популярности, является ок трехуровневая архитектура, которая состоит из реактивного, исполнительного и алгоритмического уровней. 'а. Реактивный уровень обеспечивает низкоуровневое управление роботом. Отличительной особенностью этого уровня является наличие жесткого цикла "восприятие-действие". Время принятия решения на этом уровне часто составляет лишь несколько миллисекунд. Ж Исполнительный уровень (или уровень упорядочения) служит в качестве посредника между реактивным и алгоритмическим уровнями.

Он принимает директивы от алгоритмического уровня и упорядочивает их для передачи на реактивный уровень. Например, на исполнительном уровне может быть выполнена обработка множества промежуточных пунктов, сформированного алгоритмическим планировщиком пути, а затем приняты решения о том, какое реактивное поведение должно быть вызвано. Время принятия решения на исполнительном уровне обычно составляет порядка одной секунды.

Исполнительный уровень отвечает также за интеграцию сенсорной информации в виде представления внутреннего состояния. Например, на этом уровне могут быть реализованы процедуры локализации робота и оперативного составления карты. На 'в. алгоритмическом уровне вырабатываются глобальные решения сложных задач с использованием методов планирования.

Из-за вычислительной сложности, связанной с выработкой таких решений, время принятия решений на этом уровне составляет порядка нескольких минут. На алгоритмическом уровне (или уровне планирования) для принятия решений используются модели. Эти модели могут быть подготовлены заранее или сформированы путем обучения на основе имеющихся данных, и в них обычно используется информация о состоянии, собранная на исполнительном уровне.

В большинстве современных систем робототехнического программного обеспечения используются те или иные варианты трехуровневой архитектуры. Но критерии декомпозиции на три уровня нельзя назвать очень строгими. К тому же в неко- ! 230 Часть У!1. Обшение, восприятие и осугцествление действий торых системах робототехнического программного обеспечения предусмотрены дополнительные уровни, такие как уровни пользовательского интерфейса, которые управляют взаимодействием с пользователями, или уровни, ответственные за координацию действий робота с действиями других роботов, функционирующих в той же среде. Робототехиические языки программирования Многие робототехнические контроллеры реализованы с использованием языков программирования специального назначения. Например, многие программы для обобшаюгцей архитектуры были реализованы на Ж языке поведения, который был определен Бруксом ]191].

Этот язык представляет собой язык управления в реальном времени на основе правил, результатом компиляции которого становятся контроллеры АРБМ. Отдельные правила этого языка, заданные с помощью синтаксиса, подобного 1.!зр, компилируются в автоматы АГБМ, а группы автоматов АГБМ объединяются с помощью совокупности механизмов передачи локальных и глобальных сообщений. Так же как и обобшаюшая архитектура, язык поведения является ограниченным, поскольку он нацелен на создание простых автоматов АГБМ с относительно узким определением потока связи между модулями.

Но в последнее время на базе этой идеи проведены новые исследования, которые привели к созданию целого ряда языков программирования, аналогичных по своему духу языку поведения, но более могцных и обеспечиваюших более быстрое выполнение. Одним из таких языков является сь универсальный робототехиический язык, или сокрашенно ОК1. (Оепепс КоЬог (апйвайе) ]681]. СИ. — это функциональный язык программирования для создания больших модульных систем управления. Как и в языке поведения, в ОК1.

в качестве основных конструктивных блоков используются конечные автоматы. Но в качестве настройки над этими автоматами язык ОКЬ предлагает гораздо более широкий перечень конструкций для определения коммуникационного потока и синхронизации ограничений между различными модулями, чем язык поведения. Программы на языке ОИ. компилируются в эффективные программы на таких языках команд, как С. Еще одним важным языком программирования (и связанной с ним архитектурой) для параллельного робототехнического программного обеспечения является система планирования реактивныхдействий, или сокращенно КАР8 (Кеасйхе Асйоп Р!ап Бузгегп) ]470].

Система КАРБ позволяет программистам задавать цели, планы, связанные с этими целями (или частично определять политику), а также задавать условия, при которых эти планы по всей вероятности будут выполнены успешно. Крайне важно то, что в системе КАРБ предусмотрены также средства, позволяюшие справиться с неизбежными отказами, которые возникают в реальных робототехнических системах. Программист может задавать процедуры обнаружения отказов различных типов и предусматривать процедуру устранения исключительной ситуации для каждого типа отказа. В трехуровневых архитектурах система КАРБ часто используется на исполнительном уровне, что позволяет успешно справляться с непредвиденными ситуациями, не требуюшими перепланирования.

Характеристики

Список файлов книги