arquitectura para el control de robots móviles mediante delegación de código y agentes

219 Pages·2003·2.83 MB·Spanish

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA

Departamento de Informática de Sistemas
y Computadores

A
RQUITECTURA PARA EL
C R M
ONTROL DE OBOTS ÓVILES

MEDIANTE
D C
ELEGACIÓN DE ÓDIGO Y
A
GENTES

TESIS DOCTORAL

Presentada por:
D. Juan Luis Posadas Yagüe

Dirigida por:
D. José Enrique Simó Ten

Valencia, 2003

T D
ESIS OCTORAL

11 de Julio de 2003

AGRADECIMIENTOS

Quiero dejar constancia de mi agradecimiento a las tres personas que han hecho
posible la consecución de esta tesis: a mi madre, quien me inspiró el deseo por el
saber, a mi padre, quien siempre me ha apoyado proporcionándome todo aquello que
he necesitado, y a mi director de tesis, quien me ha enseñado y orientado en todo el
proceso de desarrollo.

Por supuesto, no olvido al resto de personas que también me han ayudado con su
esfuerzo y a quienes les estoy totalmente agradecido.

Compañeros del grupo de investigación y proyectos con quienes comparto el
trabajo desarrollado: Alfons, Paco, Pascual, Ginés, José Luis y Pedro.

Mi compañero de despacho Juan Carlos por sus consejos.

Y a mi novia Patricia por el tiempo que le he quitado y la paciencia que ha
tenido.

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RESUMEN

Esta tesis se enmarca en el estudio de arquitecturas híbridas para el control de
robots móviles inteligentes, así como en los sistemas de comunicaciones necesarios
para su diseño e implementación.

El principal objetivo de este trabajo ha sido la definición de una estructura
modular y portable que permita el desarrollo rápido de sistemas de control de robots.

Los robots móviles son agentes físicos que deben estar en continua interacción
con el entorno dinámico en el que se mueven. Para ello, disponen de distintos tipos
de sensores distribuidos en diferentes nodos cuya información debe utilizarse en el
cálculo de las acciones a realizar en cada instante, de esta manera se obtiene un
funcionamiento reactivo que consiste en realizar una correspondencia entre los
valores de los sensores y las acciones a realizar por los actuadores (correspondencia
que da lugar a los denominados patrones de comportamientos). Por otro lado, dicha
información sensorial también debe ser integrada en el sistema distribuido para la
obtención de un modelo simbólico del entorno que permita realizar procesos de
planificación y predicción que tengan en cuenta tanto la información actual como la
pasada, obteniéndose de esta forma un funcionamiento deliberativo o basado en
conocimiento.

La tendencia actual en el diseño de arquitecturas para robots móviles está basada
en la combinación de ambos tipos de funcionamiento (arquitecturas híbridas)
separándolos en dos niveles diferentes dentro de la arquitectura: nivel reactivo y
nivel deliberativo. El nivel deliberativo debe encargarse de obtener los patrones de
comportamientos cuya ejecución permita alcanzar los objetivos del robot, y el nivel
reactivo debe encargarse de ejecutar dichos comportamientos asegurando la
interacción en tiempo real con el entorno. En este sentido, el sistema de
comunicaciones constituye la base para la interacción necesaria entre los niveles
reactivo y deliberativo, debiendo permitir el acceso a la información sensorial que se
encuentra distribuida en el sistema tanto por parte de las tareas reactivas como por
parte de las tareas deliberativas.

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Resumen
El diseño del sistema de comunicaciones también deberá contemplar las
diferentes restricciones temporales entre ambos niveles. Mientras que las tareas
reactivas deben reaccionar en tiempo real estricto ante los cambios del entorno, por
ejemplo para evitar un obstáculo, las tareas deliberativas no precisan de cotas
temporales tan estrictas, pudiendo no cumplir con sus periodos de ejecución sin que
ello lleve al sistema a una situación catastrófica.

Las tareas deliberativas, para la construcción del modelo simbólico del entorno,
deben realizar procesos de fusión espacio-temporal basados en los valores de los
sensores. Para ello, será necesario que la información proporcionada por el sistema
de comunicaciones esté caracterizada temporalmente mediante la antigüedad de la
misma. De esta forma, los datos requeridos por los procesos podrán validarse a través
de su antigüedad y utilizarse en función de la misma.

Las diferentes tareas de los niveles deliberativo y reactivo suelen estructurarse
de manera natural mediante componentes software independientes. Así, el diseño de
las arquitecturas híbridas multinivel se basa en la modularidad software y ejecución
independiente de sus componentes. Los comportamientos, proporcionados por el
nivel deliberativo y ejecutados en el nivel reactivo, son procesos independientes que
se ejecutan concurrentemente. La implementación de los comportamientos puede
basarse en la “teoría de esquemas” según la cual un comportamiento es la
combinación de al menos un esquema de percepción y un esquema motor.
Modularidad e independencia son características innatas de los agentes software, lo
cual les hace adecuados para el diseño e implementación de este tipo de
arquitecturas.

Teniendo en cuenta estos requerimientos, como tema central de la tesis se
propone una arquitectura denominada SC-Agent para el control de robots móviles.
Esta arquitectura es híbrida y distribuida, los niveles deliberativo y reactivo están
compuestos por agentes software que pueden moverse entre los nodos del sistema
con el objetivo de reducir los requerimientos de comunicación en el acceso a los
datos. La arquitectura aporta un nuevo nivel semántico donde se especifican los
componentes de la misma pero no su ubicación física. Un agente podrá decidir su
ubicación óptima en función de índices de medida no convencionales basados en la
antigüedad de los datos que reciba. La arquitectura también permite mediante el uso
de los agentes móviles aplicar técnicas de delegación de código para realizar el
control de los robots minimizando los problemas relacionados con la latencia de la
red. Dicho control se basa en separar el tiempo necesario de las comunicaciones del
tiempo necesario de procesamiento. En primer lugar se realiza el envío del código de
control necesario a los nodos del robot y en segundo lugar se realiza la ejecución del
mismo de forma local. Al ejecutarse localmente dicho código, en lugar de hacerse de
forma remota, se facilita el cumplimiento de las restricciones de tiempo real estricto.

El diseño de esta arquitectura se sustenta sobre un sistema de comunicaciones
basado en una estructura de pizarra distribuida de objetos. El sistema de
comunicaciones permite la interacción entre los distintos agentes de la arquitectura
mediante una interfaz común para el acceso a los objetos de la pizarra. Los agentes
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Tesis Doctoral
podrán transmitir mensajes o enviar información al resto de agentes mediante la
escritura y lectura de los objetos de la pizarra. Los datos o valores de dichos objetos
están caracterizados temporalmente por el sistema a través de su antigüedad.

El sistema de comunicaciones emplea un bus de tiempo real estricto para
conectar los nodos que forman parte del nivel reactivo y un bus de tiempo real no
estricto para conectar los nodos que forman parte del nivel deliberativo. El bus de
tiempo real estricto ofrece al nivel reactivo predicción temporal en la transmisión de
los datos y el bus de tiempo real no estricto ofrece al nivel deliberativo la transmisión
de estructuras de datos más complejas como implica la transmisión de los agentes.
Estos buses permiten asegurar las distintas restricciones temporales de ambos
niveles. Mediante el empleo de objetos pasarela, el sistema de comunicaciones
realiza las conversiones de datos necesarias entre los buses para permitir el acceso a
la información sensorial e interacción con los actuadores por parte de ambos niveles
de la arquitectura.

La arquitectura y sistema de comunicaciones propuestos han sido
implementados en diferentes aplicaciones industriales obteniéndose resultados
satisfactorios. Además, se han realizado diferentes prototipos software que validan
las distintas características ofrecidas.

Finalmente, destacar que se ha obtenido una arquitectura de control general cuya
modularidad software, basada en componentes de ejecución independientes que
interaccionan a través de una pizarra de objetos distribuidos, permite su aplicación e
implementación rápida sobre diferentes tipos de sistemas particularmente aquellos
basados en el control de robots móviles.

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