Abordagem evolucionária com idades para construção de conhecimento aplicado à robótica móvel

Abstract

Este trabalho apresenta e discute uma proposta de estratégia inédita para o problema de aprendizado de regras através de Sistemas Classificadores, aplicado à robótica móvel, utilizando um robô NOMAD 200. Esta estratégia tem como base, teorias de Algoritmos Genéticos e de Sistemas Classificadores, que são os paradigmas constituintes do núcleo da arquitetura implementada para o controle do robô. O aspecto diferencial desta abordagem é a inspiração em Algoritmos Genéticos com Idades, para permitir o uso e controle de uma população de tamanho variável. O sistema foi modelado observando-se características físicas do robô NOMAD 200 e sendo constituído por módulos de gerenciamento de memória, reprodução, controle da população e execução. A memória se apresenta como uma base de regras de produção; o módulo de reprodução incorpora um AG tradicional, com operadores de seleção, cruzamento e mutação; o controle populacional permite o uso de população de tamanho variável, através do de índices de usabilidade e similaridade das regras com as situações confrontadas pelo robô; por fim, o módulo de execução é responsável pela interação do robô com o ambiente, realizando leitura dos sensores e ações pelos atuadores e, quando necessário, ativar funções de segurança para preservar a integridade física do robô. Para dar sustentabilidade à proposta, esta foi validada através de vários experimentos, realizados em ambientes simulados e em um ambiente real, com um robô NOMAD 200, em diferentes cenários. Os ambientes testados variam desde ambientes esparsos até labirintos com obstáculos e paredes ortogonais entre si. Para cada experimento são apresentados os resultados e respectiva análise de dados. Foram realizadas análises criteriosas no comportamento da população, observando seu crescimento e idade média, bem como os eventos ocorridos no processo de aprendizado, para certificar as características a que se propõe esta abordagem. A principal contribuição deste trabalho é o uso da "IDADE" e II"CSABILIDADE" em um sistema baseado em SC. A usabilidade substitui o atributo de energia e respectivos cálculos do SC tradicional, no processo de escolha das regras, simplificando a implementação. Além disso, pode ser utilizado como índice de ajuste, para que possam ser usadas técnicas convencionais de seleção. A idade é responsável por preservar ou eliminar os indivíduos da população, através de estratégias de penalização e recompensa, possibilitando manter uma população de regras de tamanho variável, permitindo, ainda, manter a diversidade genética na população e evitar a sua homogenização, bem como isentar o modelador do sistema da definição destes parâmetros.

In this work, we propose a new strategy to the problem of learning rules in a Evolutionary System that is applied for mobile robotics using a NOMAD 200 robot. This strategy is based on Genetic AIgoriths and Classifier Systems theories, which are the paradigms of the implemented architecture core for robot controI. The unique feature of this approach is the inspiration on Genetic AIgorithms with Ages. This feature allows the algorithm to make use of a controlled variable size population. The system was designed respecting the physical features of the ~OMAD 200 robot. It is composed by modules of memory, reproduction, populational control and execution. The memory is the base for production rules. The reproduction module is a conventional GA, with operators for selection, crossover and mutation. The population control allows the use of a variable size population, based on the usability and the similarity of the rules on the situations presented to the robot. Finally, the execution module is responsable for the interaction between the robot and the environment, making the sensors reading and action application from the actuators and, if necessary, activating the security functions to preserve the physical integrity of the robot. To give support to the proposal, it was validated through several experiments, performed both in a simulated environment and in a real NOMAD 200 robot, in several cenarios. The environments used in the experiments ranged from open spaces to labyrinths with obstacles and ortogonal walls. Vle present the results and data analysis for each one of the experiments. AIso, the population behavior is analysed, by the observation of his growing and average age and the events occurred during the learning process, to confirm the features of these approach. The main contribution of this work is the use of "AGE"and ""CSABILITY"in a CS based system. The usability replaces the strength attribute and respective calculations necessary in the process of choosing rules in traditional CS. Because of this change, our solution is simpler to implement than traditional CS systems. Besides that, the usability can be used as fitness value, making possible the use of conventional selection techniques. The Age is responsible for the decision of to preserve or to elliminate individuaIs from the population. The choose of individuaIs is done by a penalty and reward strategy, which permits a variable size population of rules with genetic diversity and avoid the population's homogenization. The use of the age for decision making aIso preserves the system developer from the task of defining these parameters.