Obiettivi del Corso
- Robotica Probabilistica: metodi statistici in robotica.
- Robotica Mobile: navigazione, localizzazione, mapping, esplorazione.
- Architetture Ibride: esecuzione, monitoraggio, pianificazione.
Robotica Autonoma
- Automazione: dal greco Automaton (auto + matos).
- Robot: dal ceco/polacco robota (lavoro) e robotnik (lavoratore).
Applicazione Robotica
- Industrial Robotics: Factory, mining, harvesting.
- Field Robotics: Umnanned Vehicles: UAV, UTV, Planetary Rovers.
- Social Robotics: Personal services, Entertainment.
Paradigmi
- Robotica Classica (anni ‘70): modelli esatti, non sensing.
- Paradigma Reattivo (anni ‘80): Non modelli, reattivo sense-act.
- Architetture Ibride (anni ‘90): Model-based + reattivo.
- Robotica Probabilistica (anni ‘90): Modelli inaccurati, sensori inaccurati; Stretta integrazione modello sensore.
Paradigma Classico
Archiettura gerarchica.
Rappresentazione della Conoscenza e Ragionamento formale.
Mondo Chiuso: Modello completo dell’ambiente.
Decomposizione funzionale e orizzontale delle attività [Shakey 1969].
Schema di Controllo nel paradigma classico.
Paradigma reattivo
- Situated: interagisce con il mondo.
- No Memory, no model: memoria e modello forniti dal mondo esterno.
- Behavior-based: sense e act strettamente accoppiati e legati al comportamento.
- Architettura a sussunzione [Brooks 1986].
- Campi di Potenziale.
Paradigma Ibrido
Combina i due paradigmi (architetture 3T [Gat 1996, Bonasso et. al 1997]).
Modello per pianificazione e ragionamento.
Reattivo il controllo di basso livello.
Es. ATLANTIS [Gat 1996]:
- Control Layer,
- Sequencing Layer,
- Deliberative Layer.
Sistema Sense-Act con attività deliberativa.
Paradigma Ibrido (segue)
ATLANTIS [Gat 1992]
- Task Control Architecture [Simmons 1994]
- 3T [Bonasso et al. 1997]
- RHINO [Burgard et al 1995]
- LAAS [Alami 1998]
- CIRCA [Musliner et al 1993]
- etc …
Sistema Sense-Act con attività deliberativa.
Architetture a 3 Livelli
- Deliberativo: pianificazione, ragionamento, decisione..
- Esecutivo: monitoraggio dell’esecuzione, sequenziamento dei comandi.
- Funzionale: funzionalità di controllo attuative e percettive.
Esempio: RHINO Architettura
Architettura di RHINO la guida robotica del museo di Bonn (1995); simile MINERVA (1998) ad Atlanta
Architettura a 3 Livelli per un robot mobile:
- Funzionale: Mapping, Localizzazione, Avoidance.
- Esecutivo: Sequencer, monitor.
- Deliberativo: Task Planner.
Esempio Architetture a 3 Livelli: DS1 (Remote Agent)
- Missione: testare nuove teconologie per il New Millennium Program e osservazione Borrelly Comet.
- Prima Sonda/Astronave completamente autonoma.
- Attività gestite da pianificatore e sistema di esecuzione automatica (RAX: Remote Agent Experiment).
- Diagnosi, Pianificazione, Esecuzione Duttile.
Architetture a 3 Livelli: REX
Remote Agent: controllo della sonda DS1
Tre livelli di controllo:
- Pianificazione e schedulazione temporale.
- Esecuzione, Monitoraggio e Diagnosi.
- Controllo reattivo.
Architetture a 3 Livelli
Problematiche architetture 3T:
Architetture modulari ma:
- Architetture eterogenee (modelli diversi).
- Livelli di astrazione separati, deliberazione solo al livello alto di astrazione (task and mission planning).
- Difficile interfacciamento deliberativo-reattivo: Pianificazione-Esecuzione, Ripianificazione, Esecuzione-Monitoraggio-Controllo.
- Sistema esecutivo sviluppato ad-hoc spesso solo sequencer e dispatcher.
Esempio Livello Esecutivo: PRS [Georgeff, Ingrand 1990]
Architettura BDI (Belief, Desire, Intention):
- Credenze: Data Base, Knowledge Base.
- Desideri: Goals.
- Intenzioni: Piani Goal-oriented.
PRS [Georgeff, Ingrand 1990]: Practical Reasoning System, sistema esecutivo che implementa il modello BDI.
Esempio Livello Esecutivo: TAC Architecture
Task Control Architecture [Simmons 1994]:
- Interprocess communication;
- Task decomposition and temporal constraints;
- Resource allocation;
- Execution monitoring;
- Exception Handling.
Architetture Ibride 2T
- Architetture 3T: deliberazione ad alto livello di astrazione, esecuzione/reazione a basso livello [Bonasso et al. 1997].
- Architetture 2T: Esecuzione e deliberazione a tutti i livelli di controllo (Claraty [Volpe Nessan 2000]).
Architetture Cognitive
Architetture robotiche come architetture cognitive:
- Fusione sensoriale.
- Ragionamento.
- Deliberazione.
- Apprendimento.
- Percezione/Riconoscimento e Percezione/Azione.
- Attenzione.
- Coordinazione senso-motoria.
- Motivazione.
- Interazione Uomo-Robot.
- Autonomia e Flessibilità di comportamento (Field Robotics).
- Interazione, Interpretazione, Continuo Apprendimento (Social Robotics).
Livello Funzionale
Funzionalità a diversi livelli di astrazione:
- Avoidance
- Mapping
- Localizzazione
- Navigazione
- Riconoscimento oggetti,situazioni,luoghi,…
- Manipolazione di oggetti
- Elaborazione di Immagini
- Interazione Uomo-Robot
- …
Livello Deliberativo
Meccanismi di decisione:
- Pianificazione Task.
- Pianificazione Dinamica.
- Pianificazione di Traiettoria.
- Ragionamento temporale, dinamico,etc.
- Sistemi di decisione tattica e strategica.
- Modelli dell’ambiente.
- Modelli del robot.
- Modelli per l’interazione.
- Modelli per la decisione.
Livello Esecutivo
Incontro tra livello funzionale e deliberativo:
- Coordinazione senso-motoria.
- Coordinazione deliberativo-esecutiva.
- Monitoraggio dell’esecuzione.
- Rilevamento di errori, diagnosi e riparazione.
- Riconfigurazione, ripianificazione.
Argomenti
I livelli Funzionale, Deliberativo ed Esecutivo articolano anche la struttura del corso:
- Livello Funzionale: Rudimenti di robotica mobile e robotica probabilistica (mapping e localizzazione, navigazione, esplorazione, etc.). Modelli bayesiani.
- Livello Esecutivo: Monitoraggio dell’esecuzione e pianificazione dinamica; pianificazione dinamica; controllo cognitivo e sistemi attenzionali. Modelli temporali, automi, etc.
- Livello Deliberativo: Sistemi di Pianificazione e Schedulazione; pianificazione ed esecuzione; sistemi per la decisione; apprendimento gerarchico. Modelli temporali, automi, etc..