1.5 Моделі проблемно-орієнтованого середовища

     Робото-технічні комплекси являють собою взаємозалежну систему машин, устаткування, транспортних зв'язків, обчислювальних і інформаційних засобів, об'єднаних спільністю розв'язуваних завдань і призначених для досягнення єдиної мети.

     Досвід розробки роботизованих систем і отримані результати при вирішенні завдань автоматизації технологічних процесів свідчать про те, що методологія проектування робото-технічних систем повинна бути заснована на системному підході, що дозволяє формувати загальні типові рішення по створенню роботизованих технологій.

     Адаптація до зміни зовнішнього середовища в ПР може здійснюватися або шляхом створення адаптивних модулів (при цьому маніпулятор функціонує по твердій програмі), або шляхом корекції програми керування маніпулятором. У першому випадку можливе використання самонастроювальних і орієнтовних модулів із пристроями контролю положення об'єктів маніпулювання.

     Одним з основних завдань, що виникають при побудові алгоритмічних і програмних модулів для системи керування адаптивних роботів, є створення моделі проблемно-орієнтованого середовища, що при реальних характеристиках датчиків дозволяла б роботові розпізнавати певний клас ситуацій. Під ситуацією при цьому розуміється опис деякого стану середовища, що складається за певних умов з урахуванням функціонального стану робота.

     Інформація, що міститься в моделі проблемно-орієнтованого середовища, включає відомості як загального характеру, що відносяться до всього класу завдань, так і частки характеру, справедливі тільки для даного конкретного завдання із класу.

     До інформації першого типу відносяться наступні відомості:

• про закономірності реального середовища, тобто про компоненти, зв'язки й відносини, що існують між цими компонентами;
• про можливість впливу на середовище з боку робота й змінах, які вони викликають;
• про ймовірні зміни в середовищі, що не залежать від робота, а також відомості про самого робота і його можливості.

     До інформації другого типу, що характеризує умови вирішення конкретного завдання, відносяться відомості про необхідний результат вирішення й про обмеження, що накладаються на процес вирішення даного завдання.

     Таким чином, завдання відображення реального середовища в адаптивній системі тісно пов'язане із завданням розпізнавання елементів фізичного середовища і його внутрішнього стану. Вирішення останнього завдання в ряді випадків неможливо без обліку інструментальних погрішностей датчиків і відповідної корекції первинного відображення зовнішнього середовища в системі. При вирішенні зазначених завдань необхідно зважати на обмеження, що накладаються на обєм засобів, які використовуються для реалізації моделей, і з вимогами точності.

     Модель проблемно-орієнтованого середовища адаптивного робота може бути представлена наступною схемою (рис. 1.6). Фізичне середовище перетворюється рецепторною системою в деякий багатомірний сигнал. Блок аналізу сцен визначає зміст у вхідному сигналі об'єктів заданого класу. Вихідна інформація цього блоку надходить у блок символічного подання інформації, що здійснює стискання первинної інформації та представляє її у зручному для використання вигляді. У системі приймання рішення з урахуванням функціональних можливостей робота виділяється інформація, необхідна для вирішення того або іншого завдання із заданого класу завдань, які розв'язуються робото-технічним комплексом. Отримана в такий спосіб модель використовується надалі системою виробітку керуючих впливів для керування системою, що використовується. Відпрацьовування виконавчою системою відповідних впливів на фізичне середовище приводить до коректування моделі проблемно-орієнтованого середовища.

     У загальному випадку при моделюванні зовнішнього середовища можна виділити три рівні моделей. Моделі першого рівня пов'язані зі сприйняттям і обробкою сенсорної інформації. Як правило, після попередньої обробки сприйнятої інформації складається опис фрагмента середовища й визначаються відношення між об'єктами.

Моделі першого рівня є основою побудови моделей другого рівня, які визначають роботу планіруючої системи робота. Мови опису моделей першого й другого рівнів можуть не збігатися.

     Моделі третього рівня розглядаються у формах спілкування людини-оператора з роботом. Мова спілкування може не збігатися з мовою планіруючої системи. У цьому випадку потрібен переклад інформації про середовище й про плани дій, заданих у мові спілкування, на мову планіруючої системи.

     З погляду застосування моделі проблемно-орієнтованих середовищ можна розділити на чотири групи: моделі фіксованих, статичних, динамічних і не повністю визначених середовищ.

     Під фіксованим середовищем розуміється середовище з певною структурою, у якій може відбуватися лише невелике число заздалегідь відомих змін. Модель такого середовища задається кінцевим набором ситуацій, кожна з яких відповідає одній можливій зміні в середовищі, а кожної ситуації - цілком певна стандартна програма дії робота. Інформація про ситуації може сприйматися самим роботом або бути задана людиною-оператором.

     Під статичним середовищем розуміється середовище, зміни в якому викликані діями робота або відбуваються миттєво в дискретні моменти часу.

     Моделі динамічних і не повністю певних середовищ можуть мати різний ступінь динамічності й невизначеності.

     Залежно від характеру змін, внесених у модель у результаті змін у середовищі, не викликаних дією робота, моделі статичних середовищ можна розділити на замкнуті й відкриті. Якщо зміни в моделі полягають у внесенні деяких нових співвідношень (або видалення старих) без зміни формулювання всієї моделі або її значної частини й без зміни її програмної реалізації, то таку модель називають відкритою, а в противному випадку - замкнутою.

     Замкнуті моделі застосовують для опису середовищ, зміни в яких викликані тільки діями роботів. Серед замкнутих можна виділити моделі на основі представлення в просторі станів, або теоретико-графові; редукційні моделі; многоградаційні моделі з відносинами; многоградаційні моделі без відносин.

     Моделі на основі подання в просторі станів характеризуються тим, що сама модель (множина станів середовища) задається одночасно з моделлю дій (оператори) у вигляді векторів, двовимірних масивів і т.п. Моделі дій переводять один стан в інше. Їх можна представити як функції станів, задані або у вигляді таблиць, або аналітично.

     В силу того, що простір станів зручно представляти у вигляді спрямованого графа, моделі, засновані на поданні в просторі станів, іноді називають теоретико-графовими.

     За допомогою редукційних моделей опис цільового стану середовища (опис завдання) можна звести (редукувати) до опису такого стану (підзавдання), досягаючи яке можна легко досягти цільове. Для опису завдань і підзавдань можуть бути використані списки, вектори, масиви й інші форми. Оператор зведення завдання до підзавдання перетворить опис завдань у множину результуючих або дочірніх описів завдань. Рішення всіх дочірніх завдань забезпечує рішення вихідного завдання. Для даного опису завдання може існувати багато операторів відомості. Таким чином, для того щоб побудувати множину завдань, всі члени якої розв'язні, необхідно перепробувати цілий ряд операторів.

     Недоліком редукційної моделі є те, що сама по собі вона не дозволяє вибрати метод оптимальної розбивки завдання на підзавдання. З її допомогою можна вирішити завдання, якщо така розбивка здійснена. Редукційні моделі відносяться до моделей другого рівня і є замкнутими, тому що будь-яка зміна в описі завдання, викликана застосуванням зафіксованих операторів, що відповідають діям робота, буде потребувати вже іншого оператора зведення даного завдання до підзавдань.

     Многоградаційні моделі з відносинами - це моделі, у яких середовище представляється скомпонованим з кінцевого числа якісно різнорідних елементів, що перебувають у певних відносинах один з одним. Подання елементів середовища в моделі називаються градаціями моделі. Відносини між елементами середовища можуть бути найрізноманітнішими (місце - дія, причина - наслідок і т. ін.), але при оперуванні з моделями даного класу не використовуються розвинені в математичній логіці методи.

     До многоградаційних моделей без відносин можна віднести моделі, у яких середовище представляється комбінацією декількох якісно різнорідних ознак об'єктів без явного виділення відносин між об'єктами. Дії робота при цьому є реакцією тільки на певні якісні градації середовища або на об'єкти певного типу. Моделі цього класу можуть бути розділені на моделі, конкретні ситуації в яких відображаються набором даних, що надходять із датчиків безпосередньо на вхід блоку аналізу, і на моделі, у яких сенсорна інформація перед надходженням на вхід блоку аналізу апроксимується деякими функціональними залежностями.

     Певний інтерес представляє розгляд лінгвістичних моделей, до яких відносяться моделі, побудовані па основі формалізації, які застосовуються для строгого опису тих або інших властивостей природної мови. В якості формалізації найбільше часто використовуються семантичні мережі й формальні граматики.

     Структурно в моделі проблемно-орієнтованого середовища адаптивного робота можна виділити дві складові: моделі, які використовуються підсистемами сприйняття інформації про зовнішнє середовище, і моделі, що дозволяють оцінювати функціональні можливості робота при реалізації заданого плану дій.

     З моделей першого типу можна виділити моделі, сформовані з використанням непохідних елементів середовища, одержуваних на виході датчиків чуття, і моделі, в яких використовуються непохідні елементи середовища, що задаються людиною-оператором на основі обробки апріорної інформації про середовище.

     Для комплексного дослідження адаптивних роботів найбільш перспективним є підхід, заснований на використанні проблемно-орієнтованих обчислювальних систем як інструмента досліджень. При цьому одним з основних методів дослідження роботів є імітаційне моделювання.

     Для адаптивних роботів можна виділити наступний набір імітаційних моделей:

• фізичного середовища, у якій функціонує робот;
• процесу сприйняття середовища за допомогою датчиків з певними технічними параметрами; функціонування маніпулятора в складних середовищах (у тому числі й з завадами);
• поводження робота в стереотипних ситуаціях; оцінки динамічних характеристик маніпуляторів.
• для рухливих адаптивних роботів можна додатково виділити модель пересування робота до об'єктів маніпулювання, модель, що дозволяє оцінювати керованість робота для певного діапазону швидкостей руху, змінної маси й властивостей траси, а також модель, що дозволяє вирішувати завдання ближньої навігації (зокрема, попередження зіткнень із завадами).

     Кожна імітаційна модель являє собою машинний аналог відповідного процесу.