Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А.




Скачать 299.33 Kb.
НазваниеСтатья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А.
страница1/3
Дата30.11.2012
Размер299.33 Kb.
ТипСтатья
  1   2   3


СИТУАЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА


Ющенко А.С.


Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д.А.Поспеловым и его последователями теории ситуационного управления сложными объектами. Обращается внимание читателя как на аналогии, так и на отличия, связанные с применением принципов ситуационного управления в робототехнике. Приводятся некоторые результаты, полученные в этом направлении, а также ставятся задачи дальнейших исследований.


Введение.

Термин «Робототехника» используется сегодня настолько широко, что нужно вначале определить, что под ним понимается в данной статье. Мы не будем рассматривать вопросы промышленной робототехники, где роботы - манипуляторы и мобильные роботы - робокары встроены в хорошо организованную технологическую среду. Для формального описания таких систем и для управления ими успешно используются методы теории конечных автоматов, сетей Петри и другие представления дискретной математики. Значительно сложнее обстоит дело с роботами, работающими в экстремальных условиях, в условиях неизвестных заранее. Например, при спасательных операциях, при обезвреживании взрывоопасных предметов, при спасательных работах и во время дистанционно выполняемых хирургических операций. Здесь все движения робота задаются непосредственно человеком-оператором. Работа оператора дистанционно-управляемой робототехнической системы требует высокой квалификации. Такая работа, как правило, выполняется в условиях дефицита информации и связана с существенным риском из за возможных ошибок человека. Задача современной робототехники состоит в том, чтобы сделать возможной автономную работу дистанционно управляемых робототехнических систем в неизвестной обстановке. Робот, оснащенный разветвленной сенсорной системой, должен самостоятельно действовать в заранее неопределенных условиях, оценивать окружающую обстановку и принимать решения. решать самостоятельно решать задачи, поставленные человеком, прибегая при необходимости к диалогу с оператором на проблемно-ориентированном языке. Чтобы подчеркнуть специфику такой робототехнической системы, назовем ее интеллектуальной робототехнической системой (ИРТС), не углубляясь в смысл термина «интеллектуальный», что увело бы нас далеко в сторону от обсуждаемых вопросов.

С созданием ИРТС человечество получило технический объект, который в виду своей сложности не может быть достаточно хорошо описан в математической форме, или же это описание настолько сложно, что его практически невозможно использовать. С учетом возможности приобретения собственного, индивидуального опыта, ИРТС – уникальный объект. Это приводит к мысли о применении ситуационного управления, которое было предложено Д.А.Поспеловым именно для управления такими объектами [1]. Вместе с тем, здесь имеется и серьезное отличие от постановки задачи ситуационного управления. Сам термин «управление», подразумевающий наличие как объекта, так и субъекта управления, в данном случае справедлив не в полной мере. Робот, способный к автономной работе, самостоятельно принимающий управленческие решения, по крайней мере, на тактическом уровне, объединяет в себе и объект и субъект управления. Управление же со стороны человека переходит с уровня управления отдельными движениями на более высокий уровень – на уровень постановки задач и указания целей. Робот теперь выступает как полноправный партнер человека, осуществляющий целесообразную деятельность. На наш взгляд, термин «управляемая деятельность» в данном случае лучше отражает существо рассматриваемого процесса, чем термин «управление» [2].

В большинстве случаев, цели, которые должны быть достигнуты с помощью ИРТС, трудно формализуемы, но допускают достаточно простую формулировку на естественном языке (ЕЯ). При этом ИРТС – многофункциональная система, допускающая постановки очень широкого круга задач. Можно, как и при ситуационном управлении, говорить об отсутствии определенного критерия оптимальности. Поскольку цель деятельности робота задается человеком, то и качество оценки ее результатов субъективно. Оно может быть оценено только с использованием лингвистических переменных и естественных пространственно-временных отношений, свойственных мировосприятию человека.

Что же касается собственно понятия ситуации, которое при ситуационном управлении представляет собой текущее состояние объекта управления, в робототехнике ситуация представляет собой текущее состояние внешнего мира, в котором функционирует ИРТС, включая и сам робот.

Обратим внимание на важную мысль Д.А.Поспелова о том, что нельзя построить теорию для таких систем, для которых нельзя определить независимую от семантики модель. Тем не менее, робототехника как техническая теория безусловно существует (назовем, хотя бы серию монографий под ред. академика РАН Е.П.Попова «Научные основы робототехники»). Однако, большая часть работ, объединенных словом «робототехника» посвящена устройству отдельных подсистем, в том числе исполнительной части робота – приводам манипулятора, платформы, динамике манипулятора, системам управления роботом и т.д. Для этих подсистем в полной мере применимы классические методы механики и теории управления. Эти методы, однако, не позволяют описать ИРТС в целом, функционирующую самостоятельно в плохо организованной среде.

Наука о подобных системах, на наш взгляд, имеет право на существование, но она отличается от технических наук, дающих методику расчета системы. По своей структуре она ближе к наукам о человеке (физиологии, анатомии, психологии). Мы можем изучать поведение объекта, выявлять его особенности и явные отклонения от нормы в его функционировании. Можно обеспечить адаптацию робота к условиям применения, или обучать его действовать либо по определенным правилам. В отличие от работы с биологическими объектами, мы можем непосредственно закладывать в память робота требуемые правила и стереотипы поведения и даже можем менять его конструктивные и аппаратные элементы, если это необходимо для лучшего достижения цели. Тем не менее, это все же не управление, а организация целенаправленной деятельности роботов.

Определим состав и структуру ИРТС как инструмента предметной деятельности человека во внешнем мире. Заметим, что особенность этого «инструмента» состоит в том, что он способен функционировать самостоятельно. Поэтому что для ИРТС вполне приемлем термин «деятельность». Деятельность ИРТС обладает всеми основными признаками деятельности человека, тем не менее, ее следует рассматривать совместно c деятельностью человека-оператора, поскольку в процессе работы функции «биологической части» ИРТС могут переходить к его «технической» части и наоборот, причем обе составляющие находятся в постоянном взаимодействии и дополняют друг друга в процессе работы. По существу, следует рассматривать систему «человек-робот», способную взаимодействовать с человеком на всех уровнях, включая уровень постановки целей. Для краткости назовем такую систему эргаматом. Функциональная схема эргамата показана на рис.1. Конечная (стратегическая) цель задается оператором. Частные (тактические) цели, необходимые для достижения конечной цели, определяются самой ИРТС. Робот выступает здесь как технический «ассистент-оператор», взаимодействующий с «человеком-оператором». В этом смысле эргамат можно рассматривать как систему кооперативной деятельности человека-оператора и ассистента-оператора с приоритетом первого.

Интерфейс эргамата включает средства представления информации человеку-оператору и средства управления. Средства представления информации - это совокупность информационных средств, включающая элементы различных сенсорных модальностей – визуальный образ, построенный с использованием телевидения и компьютерной графики, механорецепторную или тактильную обратную связь и, возможно, речевое сопровождение. Эта совокупность информационных устройств должна обеспечить построение в сознании человека образа текущей ситуации.

Устройства управления в робототехнике также многофункциональны; здесь используются не только клавиатура управляющего компьютера и механические органы управления (джойстики), но также средства голосовой связи, сигналы управления, получаемые при движении головы, глаз и т.п.

Функциональная схема эргамата в общем случае имеет несколько уровней, соответствующих различным видам деятельности человека-оператора. Верхний уровень (А) соответствует целеполаганию, следующий уровень (Б) - планированию операций. Уровень (В) соответствует заданию отдельных действий (командное управление). Нижние уровни управления (Г) и (Д) соответствуют управлению движениями. Каждый уровень представляет собой замкнутый цикл, имеющий собственные обратные связи, реализуемые как с использованием технических средств, так и рецепторов человека.

При всей своей универсальности, роботы создаются человеком для решения определенного круга задач. Отсюда следует основной принцип создания ИРТС – обеспечение согласования на каждом из перечисленных уровней. возможностей робота и человека, включенного в процесс деятельности ИРТС. Это согласование относится, прежде всего, к внутреннему (для ИРТС) описанию внешнего мира близкому к человеческому (естественному) восприятию мира. Далее, это описание целей, поставленных оператором, возможных действий и способов поведения ИРТС, направленных на достижение поставленных целей. При выполнении сложных операций ИРТС должна оказать поддержку оператору в их планировании. Наконец, для оперативного взаимодействия ИРТС и человека-оператора должен быть сформирован проблемно-ориентированный язык ИРТС и речевого интерфейс, позволяющий интерпретировать ЕЯ высказывания оператора и организовать диалог между человеком и ИРТС.

Отметим, что перечисленные задачи организации целенаправленной деятельности роботов очень близки к тем задачам, которые Д.А.Поспелов рассмотрел применительно к ситуационному управлению сложными объектами. Обобщая применительно к ИРТС идею Д.А.Поспелова о естественных пространственно-временных отношениях и построенной на их основе естественной (для человека) модели мира, можно говорить также о естественных способах управления, о естественных способах планирования и принятия решений, наконец, о естественном языке диалога робота человека. Впервые в истории техники искусственный объект способен в полной мере реализовать сложную предметную деятельность человека во внешнем мире, становится его полноправным партнером и в ряде случаев может его заменить, становясь субъектом деятельности.


Описание внешнего мира

Принципиальным положением ситуационного управления является вывод Д.А.Поспелова о том, что уникальность объекта управления требует для его описания специальных языковых средств, отличных от формальных математических моделей. При этом большая часть информации может быть выражена средствами ЕЯ и переведена на формальный язык семиотической модели, специально разработанной для ситуационного управления. Таким образом, в основе представления внешнего мира в ИРТС лежит его представление в сознании человека. Одной из особенностей этого представления является его структурированность, т.е. представление мира в виде совокупности объектов, имеющих определенные имена, между которыми установлены отношения. Д.А.Поспелов указывает 11 таких отношений (включая пространственные, временные, количественные, каузальные и прочие) [3]. В ряде задач робототехники описание внешнего мира ЭМС на базе нечетких представлений включает в себя описание объектов рабочей сцены и пространственно-временных отношений между ними. Как известно, человек оценивает эти отношения с помощью психофизиологических шкал, обусловленных объективными свойствами соответствующих рецепторов. Поэтому наиболее адекватным аппаратом для описания пространственно-временных отношений является аппарат лингвистических переменных.

Следуя логике пространства, разработанной Д.А.Поспеловым и его последователями, введем лингвистическую переменную dj, j = 1,2,…,M - «дистанция между объектами а и б» со значениями j = 6- «очень очень далеко», j = 5- «очень далеко», j = 4- «далеко», j= 3- «недалеко - неблизко», j = 2 «близко», j = 1«очень близко», j = 0- «вплотную». Теперь можно получить и следующие производные отношения: (а1 dj а2) & (а1 di а3) & (j=i+1) , что соответствует утверждению: а2 дальше от а1, чем а3 от а1. Аналогично получим: (а1 dj а2) & (а1 di а3) & (j=i-1) - а2 ближе к а1, чем а3. Наконец, условие (а1 dj а2) & (а1 di а3) & (j > i+1) можно интерпретировать как а2 значительно дальше от а1, чем а3.

Аналогично введем лингвистическую переменную fi, i=1,2,…N - «направление от объекта а к объекту б» со значениями: f1 - впереди, f2- впереди слева, f3 - слева, f4 - сзади слева, f5 - сзади, f6- сзади справа, f7 - справа, f8 - впереди справа. Например, (a1f2 a2) – а2 впереди слева, (a1f8 a2) – а2 – впереди и справа.

Теперь мы можем определить взаимное пространственное положение двух объектов на плоскости, одним из которых может быть сам робот. Например, условие (a1 d4 a2)&(a1 f7 a2) = (a1 d4 f7 a2) означает, что а2 далеко, и справа от а1.

Следуя работам Д.А.Поспелова, можно определить и нечеткую логику пространственных отношений. Если известно расстояние между объектами а1,а2, а также а2,а3, то расстояние между объектами а1, а3 определяется соотношением: (а1 dj а2) & (а2 di а3) → (а1 dm а3), где dm = max (di ,dj ), если |i-j|>1 и dm = max (di ,dj )+1, если |i-j|=1.

В общем случае взаимное положение включает как дистанцию, так и ориентацию объектов. Пусть задано взаимное нечеткое положение на плоскости объектов а1, а2, а также а2, а3, т.е. для каждой пары объектов задано отношение положения и ориентации. Тогда для каждого взаимного отношения дистанции между а1, а2, а также между а2, а3 взаимное положение определяется таблицей отношений ориентации. Пример такого отношения для случая когда а2 дальше от а1, чем а3 от а2 приведен ниже в виде таблицы 1. Обозначено fi - нечеткое значение расстояния от а1 до а2, fk – нечеткое расстояние от а2 до а3, в таблице содержатся значения fm – нечеткие расстояния от а1 до а3. Например, (а1 dj, f1 а2) & (а2 di f3 а3) & (j=i+1) → (а1 dj f2 а3), т.е. если объект а2 дальше от а1, чем а3 от а2 и при этом а2 впереди а1, а а3 слева от а2, то а3 находится на «нечетком расстоянии» dj и впереди слева от а1 (см. рис.2).

Заметим, что единственным обоснованием таблицы 1 является ее соответствие психофизиологическим шкалам соответствующих пространственных отношений, воспринимаемых человеком. Д.А.Поспелов приводит гистограммы оценки расстояния между объектами группой операторов-экспертов. Такой же подход следует применять и при определении пространственной ориентации в общем случае.

Пусть теперь имеется «нечеткая карта» местности, содержащая ориентиры и взаимное нечеткое положение каждой пары объектов. Заметим, что это соответствует словесному описанию местности, когда определяется нечеткое взаимное положение известных заранее объектов. Роботу поставлена цель: выйти к месту расположения одного из этих объектов. Тогда, используя представленную логику пространства, робот уже из начального положения может определить требуемое направление движения к цели, или, во всяком случае, существенно сократить путь. Заметим, впрочем, что этого недостаточно для достижения цели, поскольку структурирование пространства с помощью лингвистических переменных является довольно грубым. Робот, используя такое описание, способен лишь приблизительно выйти в окрестность цели. Если отсутствует более «тонкий» уровень управления, он может совершать незатухающие колебания в окрестности цели [4].

Нетрудно по аналогии с рассмотренным ввести и пространственную модель рабочей сцены, добавляя к отношениям на плоскости отношения, относящиеся к третьему измерению, например, выше, на одном уровне, ниже, под, над. Используя логические произведения нечетких отношений по высоте и ранее введенных отношений дистанции и ориентации на плоскости, можно определить нечеткое взаимное положение объектов в трехмерном пространстве. Например, а1 далеко, впереди справа и немного выше а2. Таким образом, мы получаем систему нечетких отношений между объектами пространственной сцены, аналогичную сферической системе координат.

Отношения рассмотренного типа Д.А.Поспелов относит к экстенциональным. Для завершения пространственной модели сцены необходимо ввести интенциональные отношения между объектами. В [3] предлагается два унарных отношения– R00 -быть горизонтальным и R01 - быть вертикальным и 28 элементарных бинарных отношений. Например, для описания пространственной сцены могут быть использованы следующие бинарные отношения: R1 - соприкасаться; R2 - быть внутри; R3 - быть вне; R4 - быть в центре; R5 - быть на одной прямой; R6 - быть на одной плоскости; R7 - иметь ненулевую проекцию, R8 - стоять на поверхности.. Заметим, что отношения R1, R5 и R6 симметричны, а R2 и R3 транзитивны. Перечень отношений можно расширить в зависимости от конкретных задач.

Для введенных отношений пространственного положения можно установить производные отношения с помощью соответствующих правил. Например, отношение R8 : а2 стоит на а1, соприкасаясь по поверхности S образуется путем конъюнкции из отношений находиться выше, соприкасаться по плоскости и быть горизонтальным.

Используя введенные интенциональные и экстенциональные отношения, можно описывать достаточно сложную рабочую сцену. Заметим, что в описание сцены входит и «наблюдатель», в качестве которого может быть сам робот. Например, сложное отношение а1 стоит на плоскости S далеко справа можно записать как (a1 R8 S)&(a0 d5 f7 a1), где а0 - наблюдатель, относительно которого сформулированы отношения дистанции и ориентации.

Данные о внешнем мире в ИРТС поступают с информационных устройств робота (дальномеров, датчиков угла, скорости и т.п.) в виде сигналов, имеющих конкретные значения. Поэтому для того, чтобы воспользоваться процедурами нечеткой логики пространства, необходимо вначале сопоставить значениям измеренных физических величин нечеткие значения соответствующих лингвистических переменных, т.е. выполнить их фаззификацию. Полученная нечеткая пространственная модель мира может использоваться не только дл управления ИРТС, но и для организации диалога между роботом и оператором. Например, оператору со стороны робота могут быть сообщены сведения такого характера: «вдали, справа виден объект А, а прямо передо мной близко препятствие Б». В ряде случаев такие сведения имеют важное значение для оператора, например, в тех случаях, когда визуальное наблюдение затруднено.

Совокупность заданных объектов в пространстве рабочей сцены, отношений между ними и правил преобразования составляют формальный язык описания ситуации, близкий к естественному языку. Описание ситуации на этом языке при этом допускают формальное представление с использованием логики пространственно-временных отношений. Подчеркнем отличие понятия ситуации в рассматриваемой задаче от аналогичного понятия в методе ситуационного управления, когда в описание ситуации включается и действие. Здесь ситуация представляет собой описание внешнего мира, включая сам робот. Поскольку внешний мир непрерывно изменяется как за счет движения наблюдаемых объектов, так и за счет движения самого робота, то и описание ситуации изменяется во времени. Это обстоятельство требует учета в общем случае не только пространственных, но и временных отношений во внешнем мире, таких как быть одновременно, быть раньше, следовать за и т.п.

Так же, как и при ситуационном управлении, формальный язык представления ситуации должен быть преобразован в язык представления знаний (ЯПЗ). Несмотря на то, что работы по ситуационному управлению относятся к середине 80-х г.г., рассмотренное впервые в этих работах, использование вложенных фреймов в качестве ЯПЗ для описания ситуаций по прежнему актуально. Фрейм ситуации может быть представлен следующим образом: <имя наблюдателя> <положение наблюдателя> < имя объекта а1 относительно набюдателя> < имя объекта а2 и его положение >…< имя объекта аn и его положение>. В качестве наблюдателя выступает либо робот, либо наблюдатель, расположенный в другой системе координат и наблюдающий сцену, содержащую и сам робот (например, при наблюдении за перемещением робота по карте местности). Если объекты не являются малыми (условно говоря, точечными), то расстоянием до объекта считается минимальное расстояние от наблюдателя.

Следуя терминологии Д.А.Поспелова, введенный фрейм ситуации – это фрейм - прототип, который конкретизируется с помощью введенных пространственных отношений. Например, <R > <a0 d10 f20 R> < R d11 f11 а1 >< R а2 >…<R d1n f1n аn >.

Отметим, что описанная выше логика пространства позволяет переходить от абсолютной системы координат (точки зрения неподвижного наблюдателя) к относительной системе координат (к «точке зрения» робота). Это необходимо, в частности, для правильной интерпретации команд оператора роботом.

При управлении роботом возможны два различных пути заполнения слотов фрейма ситуации. Первый – со стороны робота-наблюдателя, который исследует ситуацию с помощью информационно - сенсорной системы и путем последующей фаззификации результатов измерений заполняет слоты фрейма-прототипа. В этом случае робот должен совершать специальные движения, например, осматривать объект с разных ракурсов для определения его типа и его свойств, измерять расстояние и угловое положение различных объектов рабочей сцены. Иными словами, анализ рабочей сцены составляет когнитивную деятельность ИРТС, предшествующую выполнению иных операций во внешнем мире. Ее результатом является конкретный фрейм ситуации, который может быть представлен оператору в словесной форме.

Второй путь заполнения фрейма ситуации – со стороны оператора, определяющего нечеткое положение объектов – целей и объектов – реперов на рабочей сцене, а также иные их характеристики, необходимые в дальнейшем. В этом случае для перехода от ЕЯ-сообщений оператора на язык фреймов необходим лингвистический процессор, который осуществляет синтаксический разбор предложения и заполняет слоты ситуационного фрейма нечеткими отношениями, которые далее формализуются. Целесообразно использовать проблемно ориентированный язык описания ситуаций, который, будучи достаточно близким к ЕЯ – представлению, тем не менее максимально облегчил бы работу лингвистического процессора. Во время реальной работы эти два способа представления информации могут чередоваться, образуя диалог между человеком и ИРТС на этапе определения ситуации и ее уточнения.

В заключение этого раздела отметим проблемно-ориентированный характер описания ситуации. Структура фрейма – прототипа для описания ситуации зависит от характера задачи решаемой роботом. Так в случае, когда задача имеет кинематический характер (см. ниже), представленного описания недостаточно. В структуру фрейма следует ввести данные о текущих скоростях, а возможно и ускорениях объектов аn относительно наблюдателя. Для операций динамического типа потребуется также информация о силах и моментах.

  1   2   3

Похожие:

Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. iconИнтеллектуальное реферирование: онтологический подход и его реализация в решениях Ontos
Обсуждению вопросов создания системы реферирования под управлением онтологий, разработанной в рамках решений Ontos для Semantic Web,...
Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. iconВторая Всер оссийская конференция
Конференция посвящена обсуждению новых возможностей экспериментального исследования и формализованного описания когнитивных процессов,...
Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. iconВторая Всероссийская конференция «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях»
Конференция посвящена обсуждению новых возможностей экспериментального исследования и формализованного описания когнитивных процессов,...
Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. iconПрограмма дисциплины теория оптимального управления Цикл дс. 09
...
Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. iconСтатья посвящена описанию речевой базы данных русского языка, разработанной в Институте системного анализа ран при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований
Рассматриваются вопросы, связанные с разработкой структуры базы данных, подбором текстовых материалов, вводом и разметкой речевых...
Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. iconРуководство > 2 Координация > 2 Контроль > 2 Современный этап контроллинг > основы теории управления > 3 Основные понятия теории управления > 3 Многокритериальность
При решении практических задач менеджмента используют интеллектуальные инструменты – методы принятия решений, оптимизации, эконометрического...
Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. iconДиалоговое управление роботами с использованием нечетких моделей
Д. А. Поспелова и соавторов, на все перечисленные аспекты деятельности роботов. При этом теория диалогового управления выходит за...
Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. iconО концепции индексации информационных ресурсов сети Интернет
Настоящая статья посвящена обсуждению путей повышения эффективности поисковых средств сети Интернет. В ней делается попытка обобщить...
Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. iconКнига состоит из двух глав. Первая глава посвя- щена синтезу систем управления, обеспечивающих
Настоящая книга посвящена результатам недавних исследований в области теории управления резуль
Статья посвящена обсуждению возможностей и перспектив теории ситуационного управления роботами, основанной на разработанной Д. А. icon«Основы теории управления»
Курс «Основы теории управления» изучает общие свойств процесса управления в системах. Цель преподавания курса-дать студентам необходимый...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница