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
Deliberativas 
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NIST Real-time Control System (RCS): 
 
• Conforme a disponibilidade de tecnologia em robótica, o 
robô poderia executar tarefas de maior responsabilidade 
e de níveis hierárquicos maiores até atingir um grau com- 
pleto de autonomia; 
 
• Além do homem substituir a atividade, a arquitetura tam- 
bém prevê a possibilidade do homem compartilhar o con- 
trole com o sistema. 
 Arquiteturas 
 Reativas 
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 Arquiteturas Reativas 
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• Surgiram após as arquiteturas deliberativas; 
 
• Principal motivação: permitir a implementação de sis- 
temas de controle que possam responder de forma rápida 
a uma variedade de eventos ou situações no ambiente; 
 
“O mundo é a melhor representação dele mesmo.” 
 
• O sistema de controle depende fortemente das informa- 
ções locais obtidas por meio dos sensores do robô, ou 
seja, de como o robô vê o mundo ao seu redor em um 
determinado momento. 
 Arquiteturas Reativas 
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• Abordagem pode ser restritiva; 
 
• As ações do robô surgem de respostas pré-definidas a 
determinadas informações sensoriais; 
 
• Velocidade de processamento e resposta dos sistemas 
de controle reativos é alta; 
 
• Define a maneira como a informação sensorial é mapea- 
da em uma ação ou resposta, e também define como é 
feita a coordenação dos diversos pares percepção-ação, 
ou estímulo-resposta. 
 Arquiteturas Reativas 
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• Responsabilidade do desenvolvedor: 
 
1. Determinar quais comportamentos são relevantes para 
a tarefa a ser realizada pelo robô; 
 
2. Determinar a maneira como eles devem ser integrados 
utilizando o mecanismo de coordenação definido pela 
arquitetura; 
 Arquiteturas Reativas 
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• A coordenação de comportamentos em uma arquitetura 
reativa pode ser: 
 
1. Competitiva - Apenas um dos comportamentos ativos 
em um dado momento prevalece determinando a ação 
que o robô deve realizar; 
 
2. Cooperativa - Todos os comportamentos ativos 
contribuem para determinar a ação do robô. 
 Arquiteturas Reativas 
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• Exemplos de Arquiteturas Reativas: 
 
1. Arquitetura de Subsunção; 
2. Esquema Motor; 
3. Arquitetura de Circuito; 
4. Seleção de Ação; 
5. Arquitetura de Colônia; 
 
 
 
 Arquiteturas Reativas 
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Arquitetura de Subsunção: 
 
• Uma das arquiteturas mais representativas dentro do pa- 
radigma puramente reativo; 
 
• Os comportamentos são módulos que mapeiam um estí- 
mulo ou uma informação sensorial em um sinal ou uma 
ação motora; 
 
• Comportamentos são conectados uns aos outros forman- 
do uma rede organizada em camadas de competência; 
 
 Arquiteturas Reativas 
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Arquitetura de Subsunção: 
 
• Os comportamentos em cada uma das camadas funcio- 
nam de forma concorrente e independente; 
 
• A coordenação é feita por meio de dois mecanismos 
principais: 
 
1. Supressão; 
2. Inibição; 
 Arquiteturas Reativas 
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Arquitetura de Subsunção: 
 
• Supressão - A saída produzida pelo comportamento de 
prioridade mais baixa (comportamento suprimido) é subs- 
tituída pela saída produzida pelo comportamento de prio- 
ridade mais alta, entretanto, ambos os comportamento 
permanecem ativos. 
 
• Inibição - O comportamento de prioridade mais baixa é 
desativado pelo comportamento de prioridade superior. 
 Arquiteturas Reativas 
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Arquitetura de Subsunção: 
 
• Um comportamento em uma camada superior só age ini- 
bindo ou suprimindo um determinado conjunto pré-defi- 
nido de comportamentos em camadas inferiores, e não 
todos eles. 
 
 
 
 Arquiteturas Reativas 
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Esquema Motor: 
 
• Comportamentos são módulos que expressam a relação 
entre controle motor e percepção agindo de forma para- 
lela e concorrente no sistema; 
 
• A resposta motora é representada na forma de um vetor 
com magnitude e orientação gerado a partir de um méto- 
do de campos potenciais artificiais; 
 
• Não existe arbitragem de um comportamento em relação 
ao outro. 
 
 Arquiteturas Reativas 
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Esquema Motor: 
 
• A influência de um comportamento nesta resposta final é 
determinada por seu peso relativo aos demais; 
 
• Os pesos funcionam como parâmetros que podem ser 
alterados para dar flexibilidade ao sistema; 
 
• Um comportamento também pode ter como parâmetro 
um nível de ativação que determina quando o comporta- 
mento deve entrar em ação; 
 Arquiteturas Reativas 
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Esquema Motor: 
 
• Em um comportamento, um esquema motor é associado 
a um esquema de percepção, que fornece, em tempo 
hábil, a informação especifica que o comportamento pre- 
cisa para poder reagir; 
 
• Esquemas de percepção também podem ser definidos 
recursivamente; 
 
• Quando um comportamento se encontra ativo ele produz 
uma resposta reativa na forma de um vetor; 
 Arquiteturas Reativas 
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Esquema Motor: 
 
• A magnitude e direção do vetor podem ser funções da in- 
formação dada pelo esquema de percepção do compor- 
tamento; 
 
• Os vetores de resposta são gerados do ponto de vista do 
robô a partir das informações sensoriais que o robô pos- 
sui naquela posição; 
 Arquiteturas Reativas 
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Esquema Motor: 
 
 Arquiteturas Reativas 
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Esquema Motor: 
 
• Os comportamentos são configurados em tempo de exe- 
cução baseado na intenção e capacidade do robô, e nas 
restrições do ambiente; 
 
• A estrutura é mais parecida com uma rede dinamica- 
mente variável do que com uma arquitetura de camadas. 
 Arquiteturas Reativas 
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Arquitetura de Circuito: 
 
• Combina os princípios de reatividade, uso de formalismo 
lógico, e níveis de abstração; 
 
• Os comportamentos podem ser agrupados em compo- 
sições, que por sua vez podem ser novamente agrupa- 
das, permitindo a obtenção de diferentes níveis de abs- 
tração de comportamentos; 
 
• A arbitração pode ocorrer dentro de cada nível de abs- 
tração; 
 Arquiteturas Reativas 
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Arquitetura de Circuito: 
 
• Os comportamentos são expressos utilizando um modelo 
que usa lógica formal, que permite o desenvolvimento de 
um circuito que representa os objetivos e funcionalidades 
do robô; 
 
• A linguagem utilizada nesta arquitetura para programação 
dos comportamentos: REX/GAPPS; 
 Arquiteturas Reativas 
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Seleção de Ação: 
 
• Utiliza um nível de ativação para determinar em tempo de 
execução qual comportamento deve ser selecionado; 
 
• Este nível de ativação é afetado pela situação atual em 
que o robô se encontra, pelos objetivos de alto nível, ou 
pela inibição causada por comportamentos conflitantes; 
 
• O comportamento com nível de ativação maior é escolhi- 
do dentre um conjunto de todos os comportamentos cujas 
pré-condições também estejam satisfeitas; 
 
 Arquiteturas Reativas 
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Seleção de Ação: 
 
• Não existe uma organização clara dos comportamentos 
em camadas pré-definidas; 
 
• Difícil predizer qual o comportamento global emergente 
que o robô apresentará em um ambiente dinâmico; 
 
 Arquiteturas Reativas 
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Arquitetura de Colônia: 
 
• Descendente direta da arquitetura de subsunção; 
 
• Composta de múltiplas unidades de controle independen- 
tes, chamadas de agentes, que são executados de forma 
paralela; 
 
• Cada agente é responsável por um comportamento do 
robô; 
 Arquiteturas Reativas 
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Arquitetura de Colônia: 
 
 Arquiteturas Reativas 
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Arquitetura de Colônia: 
 
• As principais diferenças entre
a arquitetura de colônia e a de 
subsunção estão na forma como as duas arquiteturas estão 
organizadas; 
 
• Arquitetura de subsunção - Os comportamentos são organiza- 
dos em camadas, e camadas superiores podem intervir em 
camadas inferiores. 
 
• Arquitetura de colônia - Os comportamentos são mais modula- 
res, independentes, e ao invés de camadas, existe uma árvore 
de relação entre os comportamentos, através da qual a priori- 
dade de um em relação ao outro é definida. 
 Discussão 
Comparativa 
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Discussão Comparativa 
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• Nas arquiteturas deliberativas existe uma forte dependên- 
cia de um modelo interno do mundo = mais adequadas a 
ambientes controlados onde não ocorrem mudanças 
frequentes; 
 
• Motivos: 
 
1. O planejamento geralmente utiliza um método de busca 
que considera as informações globais sobre o mundo; 
 
2. A atualização do modelo interno deve ser feita quando 
este deixa de refletir a realidade devido a mudanças no 
ambiente; 
 
 
 
 
 
 
 
 
Discussão Comparativa 
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Discussão Comparativa 
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• Nas arquiteturas reativas as ações do robô são determinadas a partir 
de informações sensoriais locais = são adequadas a ambientes 
extremamente dinâmicos; 
 
• Motivos: 
 
1. Menos gerais e flexíveis que as arquiteturas deliberativas em 
relação a definição de tarefas e missões; 
 
2. O sistema é construído por pares pré-programados de percepção-
ação que se tornam ativos em condições pré-definidas; 
 
3. Os comportamentos pré-definidos não requerem uma computação 
pesada e permitem que o sistema quando executado responda 
rapidamente aos estímulos do meio ambiente; 
 
 
 
Discussão Comparativa 
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• Nas arquiteturas reativas as ações do robô são determinadas a partir 
de informações sensoriais locais = são adequadas a ambientes 
extremamente dinâmicos; 
 
• Motivos: 
 
1. Menos gerais e flexíveis que as arquiteturas deliberativas em 
relação a definição de tarefas e missões; 
 
2. O sistema é construído por pares pré-programados de percepção-
ação que se tornam ativos em condições pré-definidas; 
 
3. Os comportamentos pré-definidos não requerem uma computação 
pesada e permitem que o sistema quando executado responda 
rapidamente aos estímulos do meio ambiente; 
 
 
 
Discussão Comparativa 
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• Enfoque da abordagem deliberativa - Formulação de um 
plano de ação que permita atingir os objetivos especifi- 
cados. 
 
• Enfoque da abordagem reativa - Execução das ações do 
robô em tempo real em um ambiente dinâmico. 
 
• Arquiteturas híbridas - Combina as características princi- 
pais das abordagens deliberativa e reativa, procurando, 
ao mesmo tempo, diminuir a restrição em relação ao 
domínio de aplicação de cada uma destas abordagens. 
Referências Bibliográficas 
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[1] OKAMOTO JR, Jun. ; GRASSI JR, Valdir, Arquitetura 
de Controle: Tipos e Conceitos. 
 
[2] SIEGWART, Roland; NOURBACKHSH, Illah, Autonom-
ous Mobile Robots, MIT Press, 2004. 
Obrigado pela atenção!! 
61/61