jueves, 28 de marzo de 2013

Navegación de Robots Móviles

Autor:
PhD. Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Publicado en:
Julio 14 de 2008

Los robots son útiles para reproducir ciertas capacidades de los organismos vivos, como son: la exploración y el transporte para los robots móviles y, la asistencia médica y la automatización de procesos industriales para los robots complejos. Existen varios paradigmas de la inteligencia artificial, entre los diferentes tipos de arquitecturas, para el control de la autonomía de agentes robóticos móviles. Por un lado está la navegación enmarcada en el contexto de las arquitecturas reactivas, las cuales se basan en el logro de metas de desplazamiento del robot como una consecuencia de acciones estímulo-respuesta. Generalmente estas arquitecturas están fundadas en modelos de procesamiento de información masivamente paralela, tal como es el caso de las redes neuronales artificiales. Aunque las técnicas reactivas poseen la ventaja de la rapidez de procesamiento de información y la velocidad de reacción, las mismas están limitadas en cuanto a la complejidad de las tareas que el robot pueda abordar debido a que no puede manejar aquellas que requieren planificación.


Por otro lado, se encuentran en el área de sistemas inteligentes, las arquitecturas clásicas, las cuales implican el empleo de técnicas de razonamiento para decidir las acciones del agente robótico con base en un modelo del entorno. En este caso, el procesamiento de la información por parte del agente inteligente se realiza en forma secuencial. Así, el robot actúa operando sobre el ambiente de navegación en función de las modificaciones que se producen en el modelo interno que éste posee del entorno. Estas técnicas clásicas implican esquemas de razonamiento en alto nivel con base en resultados intermedios que emergen de los cambios experimentados en el ambiente de navegación del robot. Este paradigma, si bien permite afrontar requerimientos de desempeño complejos por parte del agente, tiene una velocidad de procesamiento de la información sustancialmente menor que con las técnicas reactivas.

Se define navegación como el método que permite guiar el curso de un robot móvil a través de un entorno con obstáculos. Existen diversos esquemas, pero todos ellos poseen en común el afán por llevar el vehículo a su destino de forma segura. La capacidad de reacción ante situaciones inesperadas debe ser la principal cualidad para desenvolverse, de modo eficaz, en entornos no estructurados. Las tareas involucradas en la navegación de un robot móvil son: la percepción del entorno a través de sus sensores, de modo que le permita crear una abstracción del mundo; la planificación de una trayectoria libre de obstáculos, para alcanzar el punto destino seleccionado; y el guiado del vehículo a través de la referencia construida. De forma simultánea, el vehículo puede interaccionar con ciertos elementos del entorno. Así, se define el concepto de operación como la programación de las herramientas de a bordo que le permiten realizar la tarea especificada.

El robot móvil se caracteriza por realizar una serie de desplazamientos y por llevar a cabo una interacción con distintos elementos de su entorno de trabajo, que implican el cumplimiento de una serie de objetivos impuestos según cierta especificación. Así, formalmente el concepto de misión en el ámbito de los robots móviles, se define como la realización conjunta de una serie de objetivos de navegación y operación. En consecuencia, con estas definiciones, el robot móvil debe poseer una arquitectura que coordine los distintos elementos de a bordo, de forma correcta y eficaz para la realización de una misión. El diseño de esta arquitectura presenta un módulo de control de misión dedicado a coordinar al controlador de desplazamientos con el controlador del elemento que interacciona con el entorno de trabajo. Esta coordinación debe efectuarse de forma perfecta para cumplir los objetivos impuestos por la misión, definida de acuerdo con ciertas especificaciones de entrada. Formalmente, el control de misión debe analizar el problema y encontrar una estrategia para resolverlo, de suerte que el resultado de este análisis será un plan de navegación y otro de operación, los cuales se entregan a los módulos que correspondan.

Un paradigma está constituido por los supuestos teóricos generales, que mediante su aplicación caracterizan el modo de resolver problemas en robótica. Normalmente, el paradigma constituye un enfoque, una forma de abordaje de un determinado problema, el cual se encuentra caracterizado por la utilización de una serie de técnicas orientadas a su solución. Básicamente, las técnicas son los procedimientos o conjuntos de éstos utilizados para resolver clases diferentes clases de problemas que tienen como objetivo obtener un comportamiento determinado para el robot bajo cierto paradigma.

Los paradigmas existentes para la navegación robótica son esencialmente tres: (1) Enfoque deliberativo. Se dice que este enfoque está basado en conocimiento. Es el primer paradigma propuesto para la navegación robótica. Este se basa en una visión introspectiva, es decir, en una observación interior de los propios actos o estados de ánimo o de conciencia, de sobre cómo piensa el ser humano y como toma decisiones. Por ejemplo: si se ve una puerta, se decide pasar a través de ella. (2) Enfoque reactivo. Este enfoque está basado en comportamiento. Este enfoque nace en oposición al enfoque deliberativo y se basa en modelos biológicos y psicológicos para explicar el comportamiento visto en diversos organismos vivos. Con base en un comportamiento complejo se encuentran conductas básicas del tipo “Estímulo entonces Respuesta”. (3) Enfoque híbrido. Conocido como enfoque deliberativo-reactivo. Este enfoque surge a partir de la hibridación de los paradigmas deliberativo y reactivo, ya que estos presentaban por separado diversas falencias. Se intenta tomar así lo mejor de cada paradigma, del comportamiento deliberativo su capacidad para orientarse hacia metas, del comportamiento reactivo, su rápida respuesta y adaptación a los cambios del mundo. Se mezclan las reglas deliberativas y reactivas en dos capas de control ejecutándose en paralelo a diferentes velocidades: Una capa reactiva encargada del control de las acciones de base, tales como, avanzar, evitar obstáculos. Una capa deliberativa encargada de planificar acciones más elaboradas tales como, dirigirse a un sitio preciso, reconocer visualmente marcas y objetos. La información de los sensores es accesible a los módulos de comportamiento, pero también al planificador para la construcción de un modelo del mundo orientado a tareas.

Realizar una tarea de navegación para un robot móvil significa recorrer un camino que lo conduzca desde una posición inicial hasta otra final, pasando por ciertas posiciones intermedias o submetas. El problema de la navegación se divide en las siguientes cuatro etapas: (1) Percepción del mundo. Mediante el uso de sensores externos, creación de un mapa o modelo del entorno donde se desarrollará la tarea de navegación. (2) Planificación de la ruta: Crea una secuencia ordenada de objetivos o submetas que deben ser alcanzadas por el vehículo. Esta secuencia se calcula utilizando el modelo o mapa de entorno, la descripción de la tarea que debe realizar y algún tipo de procedimiento estratégico. (3) Generación del camino. En primer lugar define una función continua que interpola la secuencia de objetivos construida por el planificador. Posteriormente procede a la discretización de la misma a fin de generar el camino. (4) Seguimiento del camino. Efectúa el desplazamiento del vehículo, según el camino generado mediante el adecuado control de los actuadores del vehículo. Estas tareas pueden llevarse a cabo de forma separada, aunque en el orden especificado. La interrelación existente entre cada una de estas tareas conforma la estructura de control de navegación básica en un robot móvil.

Existen dos tipos básicos de enfoques para controlar la navegación de un robot móvil: técnicas globales y locales. En las técnicas globales, como son los métodos geométricos, la programación dinámica o los métodos de campo de potencial se asume totalmente conocida la descripción geométrica del entorno en el que se va a mover el robot. Se trata de métodos potentes y eficaces para generar tanto trayectorias a seguir como secuencias de comandos a ejecutar. Son métodos usados para el control de robots que trabajan en entornos sin ninguna variabilidad y que realizan tareas repetitivas en las que se conocen en todo momento el valor de todas sus variables de estado. Los métodos locales o reactivos, por el contrario, consideran que el robot va a moverse en un entorno no conocido a priori y proporcionan unas conductas estándar para reaccionar ante lecturas de los sensores del robot. Estas conductas son aplicables en gran número de entornos distintos y se suelen usar junto con un control de alto nivel que se encarga de secuenciarlas.

Para conocer más acerca del Doctor Choque y sus publicaciones, haz clic en el siguiente vínculo: