| Περίληψη |
Ένας σημαντικός ερευνητικός στόχος στον τομέα της ρομποτικής είναι η ανάπτυξη ρομπότ που έχουν την δυνατότητα να λειτουργούν αυτόνομα. Η αυτόνομη συμπεριφορά ορίζεται σε ορισμένες περιπτώσεις ως η λειτουργία του ρομπότ για την εκτέλεση διαφόρων ενεργειών πλοήγησης χωρίς την ανθρώπινη παρέμβαση. Στη βιβλιογραφία των αυτόνομων κινούμενων ρομπότ αναφέρονται ως συνηθισμένες λειτουργίες πλοήγησης η εύρεση της θέσης του ρομπότ (localization), η χαρτογράφηση του περιβάλλοντος χώρου (mapping), η σχεδίαση διαδρομών μέσα στο χώρο προς αυθαίρετα ορισμένες θέσεις/στόχους (path planning) και η αποφυγή εμποδίων (obstacle avoidance). Η λύση κάθε λειτουργίας πλοήγησης χωριστά είναι ένα δύσκολο πρόβλημα από μόνο του. Αυτό οφείλεται στην έμφυτη πολυπλοκότητα τόσο του χώρου αλλά και του ίδιου του ρομπότ, αφού καθ' ένα από αυτά είναι ένα πολύπλοκο δυναμικό σύστημα που χαρακτηρίζεται από αβεβαιότητα για την κατάστασή του κάθε χρονική στιγμή. Σε αυτή τη διατριβή προτείνεται ένα πιθανοκρατικό πλαίσιο για την αυτόνομη πλοήγηση ρομπότ βασιζόμενο σε Μερικώς Παρατηρήσιμες Μαρκοβιανές Διαδικασίες Απόφασης - ΜΠΜΔΑ (Partially Observable Markov Decision Processes - POMDPs). Το προτεινόμενο μοντέλο έχει την δυνατότητα να εκτελεί τις λειτουργίες πλοήγησης της εύρεσης της θέσης του ρομπότ, του σχεδιασμού διαδρομών καθώς και αποφυγής εμποδίων. Οι ΜΠΜΔΑ είναι μοντέλα για διαδοχική λήψη αποφάσεων όπου το περιβάλλον στο οποίο λειτουργεί το ρομπότ είναι μερικώς παρατηρήσιμο, δηλαδή η πραγματική κατάσταση του ρομπότ δεν είναι γνωστή. Επιπλέον, το αποτέλεσμα των ενεργειών που εκτελεί το ρομπότ μοντελοποιούνται πιθανοκρατικά. Συνεπώς, οι λειτουργίες πλοήγησης εκτελούνται με πιθανοκρατικό τρόπο. Το βασικό μειονέκτημα των ΜΠΜΔΑ είναι η εξαιρετικά μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα λύσης τους και για αυτό το λόγο έχουν εφαρμοστεί στην ρομποτική μέχρι σήμερα κυρίως ως μοντέλα για την λήψη αποφάσεων σε υψηλό επίπεδο μόνο. Σε αυτή τη διατριβή προτείνεται μια νέα ιεραρχική αναπαράσταση των ΜΠΜΔΑ ειδικά σχεδιασμένη για το πρόβλημα της αυτόνομης πλοήγησης ρομπότ που αποκαλείται Ιεραρχικές ΜΠΜΔΑ - Ρομποτικής Πλοήγησης (ΙΜΠΜΔΑ-ΡΠ). Οι ΙΜΠΜΔΑ-ΡΠ έχουν τη δυνατότητα να αναπαριστούν με αποδοτικό τρόπο μεγάλα πραγματικά περιβάλλοντα και λύνονται σε πραγματικό χρόνο. Αυτό επιτυγχάνεται κυρίως λόγω της σχεδιαστικής επιλογής να μοντελοποιηθούν οι συναρτήσεις μετάβασης (transition) και παρατηρήσεων (observation) βάση του μοντέλου κίνησης του ρομπότ και ανεξάρτητα από τον περιβάλλον στο οποίο λειτουργεί, όπως γίνεται συνήθως στην βιβλιογραφία των ΜΠΜΔΑ. Επιπλέον, εισάγεται η έννοια της αναφορικής ΜΠΜΔΑ (αΜΠΜΔΑ) που διατηρεί το μοντέλο κίνησης του ρομπότ χρησιμοποιώντας μια πολύ μικρή ΜΠΜΔΑ και το μεταφέρει στην ιεραρχική δομή κατά την διάρκεια της λύσης της. Η δομή και κατάσταση του περιβάλλοντος μοντελοποιείται στην συνάρτηση ανταμοιβής (reward) της ΙΜΠΜΔΑ-ΡΠ. Το προτεινόμενο μοντέλο εφαρμόζεται ως ένα ενιαίο πλαίσιο πλοήγησης το οποίο δεν χρησιμοποιεί εξωτερικά συνεργαζόμενες μονάδες. Για την επίτευξη αυτού του στόχου η λύση της ΙΜΠΜΔΑ-ΡΠ σε πραγματικό χρόνο είναι απαραίτητη εφ' όσον πρέπει να σχεδιάζει εκ νέου σε κάθε χρονική στιγμή το μονοπάτι προς τον στόχο και κατά συνέπεια να διεξάγει την λειτουργία της αποφυγής εμποδίων. Η ΙΜΠΜΔΑ-ΡΠ σχεδιάστηκε για εφαρμογή στο πρόβλημα της πλοήγησης σε δυναμικά πραγματικά περιβάλλοντα στα οποία υπάρχει πυκνή κίνηση ανθρώπων. Έτσι, είναι επιθυμητό το ρομπότ να εκτελεί την αποφυγή εμποδίων με τρόπο παρόμοιο με τον οποίο αποφεύγουν εμπόδια οι ίδιοι οι άνθρωποι. Δηλαδή το ρομπότ θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να αποφασίζει την κατάλληλη συμπεριφορά για αποφυγή εμποδίων δεδομένης της κατάστασης του περιβάλλοντος. Επομένως, το ρομπότ μπορεί να αποφασίσει να εκτελέσει μια παράκαμψη ή να ακολουθήσει ένα εντελώς καινούργιο μονοπάτι προς τον στόχο του και επιπλέον να αυξήσει ή να μειώσει την ταχύτητά του για να προσπεράσει ένα εμπόδιο ή να του επιτρέψει να περάσει, αντίστοιχα. Κάθε μια από τις παραπάνω τέσσερις συμπεριφορές για την αποφυγή εμποδίων θα πρέπει να αποφασιστεί αρκετά πριν φτάσει το ρομπότ κοντά στο εμπόδιο. Γι' αυτό το λόγο, η χρήση πρόβλεψης της κίνησης εμποδίων είναι απαραίτητη. Εφαρμόζονται δύο τύποι πρόβλεψης κίνησης: η βραχυπρόθεσμη και η μακροπρόθεσμη πρόβλεψη κίνησης. Η βραχυπρόθεσμη πρόβλεψη αναφέρεται στην πρόβλεψη της θέσης του εμποδίου την αμέσως επόμενη χρονική στιγμή ενώ η μακροπρόθεσμη αναφέρεται στην πρόβλεψη του τελικού σημείου κίνησης του εμποδίου. Kαι τα δύο είδη πρόβλεψης ενσωματώνονται στην συνάρτηση ανταμοιβής της ΙΜΠΜΔΑ-ΡΠ. Το προτεινόμενο πλαίσιο ρομποτικής πλοήγησης δοκιμάστηκε σε πραγματικές συνθήκες και τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποδοτικότητα και αποτελεσματικότητά του. Η πιθανοκρατική φύση καθώς και η ακρίβεια και σταθερότητα της ΙΜΠΜΔΑ-ΡΠ όπως και η πρόβλεψη της κίνησης κρίνονται απαραίτητα στοιχεία για την αποτελεσματική και αποδοτική πλοήγηση σε δυναμικά πραγματικά περιβάλλοντα με πυκνή κίνηση ανθρώπων.
|
Predictive Autonomous Robot Navigation
