ПА – 2: Концепцијско пројектовање – интелигенти мобилни роботи

ПАПА – 2: – 2: Концепцијско Концепцијско пројектовање – интелигенти пројектовање – интелигенти

мобилни роботимобилни роботи

Предметни наставник: Проф. др Зоран МиљковићПредметни сарадници: Доц. др Божица Бојовић

Најдан Вуковић, дипл. инж. маш. Марко Митић, дипл. инж. маш. Милица Петровић, дипл. инж. маш.

Универзитет у Београду – Машински факултет

Дипломске академске студије

Модул: Дизајн у машинству

Предмет: Методе одлучивања

:::: Методе одлучивањаМетоде одлучивања ::::

Концепцијско пројектовање – Концепцијско пројектовање – интелигентни мобилни роботиинтелигентни мобилни роботи

Концепцијско пројектовање – уводне Концепцијско пројектовање – уводне напомененапомене

• ДЕФ:ДЕФ: Теорија пројектовања инжењерских система (обухватају технолошке системе) представља научно утемељене активности са кључним циљем да се са кључним циљем да се омогући изградња вештачких системаомогући изградња вештачких система чије су главне карактеристике: извођење сложених функцијаизвођење сложених функција (нпр. флексибилностфлексибилност и аутоматизацијааутоматизација); висок квалитет и висок квалитет и поузданостпоузданост; минимизација потребног материјала и енергије; и минимизација времена израде.

• Основа за реализацију свих парцијалних циљева теорије пројектовања је аутоматизација процеса пројектовања (до данас није у потпуности остварена);

• Крајњи исходКрајњи исход теорије пројектовања је решавања решавања проблемапроблема доношењем одлукадоношењем одлука (пројектни задатак).

22/25/25



Фазе пројектовањаФазе пројектовања

• Пројектовање се одвија у три фазе (у општем случају):

1.1. Концепцијско пројектовање Концепцијско пројектовање обухвата прелиминарно одлучивање о пројектном решењу, са циљем да се задовољи тек неколико кључних ограничења, и то на бази више алтернатива које обухватају опште одреднице;

2.2. Конструисање Конструисање производа (и читавог система) обухвата и технологичност конструкције (технологичност производа када је систем у питању) која представља меру успешности производње и експлоатације пројектоване конструкције (пројектовање производа и пројектовање за производњу); и

3.3. Конструктивна разрада детаљаКонструктивна разрада детаља (не мисли се само на конструсање машинских делова, него и нпр. пројектовање понашања интелигентног система-пројектни задатак).

33/25/25

Концепцијско пројектовањеКонцепцијско пројектовање



Деф:Деф: Концепцијско пројектовање представља рану фазу пројектовања у којој пројектант дефинише концепте које ће користити при решавању постављеног пројектног проблема и доноси одлуке о начину на који ће повезати дефинисане концепте у одговарајућу архитектуру система.Архитектура система (блок дијаграм система) при концепцијском пројектовању формира се линијским повезивањем концептуалних блокова.

44/25/25

Методе и алатиМетоде и алати

• Преглед компјутерских алата, математичких метода и парадигми које се користе за концепцијско пројектовање интелигентних технолошких система:

- Машинско учење (Machine Learning);- Вештачке неуронске мреже (Artificial Neural Networks);- Вештачки живот (Artificial Life);- Генетски алгоритми (Genetic Algorithms);- Теорија графова (Graph Theory);- Multi-Agent системи (Multi-Agent Systems);- Холонски системи (Holonic Systems); - Теорија аутомата (Automata Theory);- Хеуристичка претрага (Heuristic Search) и многе

друге.:::: Методе одлучивањаМетоде одлучивања ::::


55/25/25

Multi-AgentMulti-Agent системи системи

• Производна предузећа у 21. веку су у окружењу где се тржиште брзо мења и нове технологије континуално развијају, уз пораст глобалне конкуренције;

• Традиционални аутоматски системи су крути и нису способни да одговоре на брзе промене у захтевима понуде и потражње у производним системима, па се из тог разлога предлажу нове методологије за технолошку миграцију од конвенцијалних аутоматских и флексибилних ка интелигентним и реконфигурабилним системима;

• Концепт интелигентних софтверских агената (тзв. Agent technology) представља савремену парадигму за развој следећих генерација производних система;

• Концепцијско пројектовање оваквих интелигентних система заснива се и на Multi-Agent технологији;



66/25/25

Интелигентни агенти у Интелигентни агенти у Multi-Multi-AgentAgent системима системима

• Деф: Деф: Интелигентни агент је објекат, физички или софтверски, (може бити мобилни робот, машина алатка, технолошка ћелија, AGV, алат, програмски пакет ...) који има могућност комуникације и интеракције са другим интелигентним агентима у систему, са циљем доношења одлука и обављања постављених задатака.

• Придев интелигентан подразумева следећа својства агента:1. Могућност агента да учи и разуме постављени задатак,

захваљујући синергији са техникама вештачке интелигенције;2. Примање и слање информација;3. Одабир најефикасније стратегије за решавање постављеног задатка;4. Доношење одлука;5. Извршавање донетих одлука.



77/25/25

Принципи концепцијског Принципи концепцијског пројектовањапројектовања

• Принцип 1:Принцип 1: агилност и аутономност доношења одлука су две кључне карактеристике сваког система који егзистира у динамичком окружењу;

• Принцип 2:Принцип 2: компоненте система би требало повезати у мрежу аутономних јединица (за разлику од хијерархијске структуре повезивања);

• Принцип 3:Принцип 3: све одлуке које се доносе у интелигентном систему резултат су међусобне размене информација подсистема, што утиче на повећање квалитета целог система;

• Принцип 4:Принцип 4: постоји могућност само-организовања подсистема током процеса машинског учења, а све у циљу повећања перформанси целог система.



88/25/25

ПримериПримери

• Пример#1: концепцијско пројектовање отвореног серво система



99/25/25


• Пример#2: варијантна концепцијска решења славине



Варијантно решење # 1




1010/25/25




Почетак

Крај

Одређивање положаја мобилног робота

Планирање путање кретања

Предикција параметара технолошких процеса

Учење транспортних токова материјала помоћу вештачких

неуронских мрежа

V

θω

x

y

θ

ω'

x'

y'

Dθ

Dx

Dy

V'

Y

X

b

b

rd

rl

• Пример#3: концепцијскорешење интелигентног

унутрашњег транспорта материјала

1111/25/25




Почетак

Крај






циљ

препрека

препрека

препрека старт

1212/25/25




Почетак

Крај






тренутни тренутни чворчвор

време кретања време кретања робота од робота од

чвора до чворачвора до чвора

наредни наредни чворчвор

1313/25/25



Фазе пројектовања – интелигентни Фазе пројектовања – интелигентни мобилни роботимобилни роботи

• Без обзира на основни задатак МР треба да у сваком тренутку зна одговоре на следећа питања:

Где сам? Где идем? Како да дођем до циља?

• Одговори на постављена питања су „скривени” у следећим проблемима:– Модел радног окружења (мапа);– Аквизиција и интерпретација сензорске Аквизиција и интерпретација сензорске

информацијеинформације (пројектни задатак);– Одређивање положаја (проблем локализације);– Планирање и извршавање акције.

1414/25/25



Модел радног окружења (мапа Модел радног окружења (мапа окружења)окружења)

• Тренутно најтежи задатакнајтежи задатак у области развоја и пројектовања мобилних робота;

• Решење овог проблема омогућује аутономноаутономно функционисање МР у окружењу;

• Већина развијених и имплементираних решења базирана је на карактеристичним објектимакарактеристичним објектима (КО);

• Нпр. у Паризу постоји један и само један КО за све туристе;

• На основу положаја КО робот одређује свој положај али и план својих акција;

• Нпр.

• Мане: избор КО (углавном зависи од човека).

Tynxny2x2y1x1 }m m... m m m {m M

1515/25/25



Одређивање положаја (проблем Одређивање положаја (проблем локализације);локализације);

• ПоложајПоложај МР = позицијапозиција + оријентацијаоријентација;

• Одређује се у односу на „спољашњи” координатни систем;

• У општем случају систем (МР) има шест степени шест степени слободеслободе;

• Основни проблем: акумулација грешке (у управљачком и сензорском подсистему) током експлоатације;

• МетодеМетоде: све су пробабилистичкепробабилистичке (базиране на примени математичке теорије вероватноће и статистике);

Tt zyxx },,,,,{ T

t yxx },,{

1616/25/25



Планирање и извршавање акцијаПланирање и извршавање акција

Пакао?Рај?

?

Или...Или...

Да бих стигао до циља треба да скренем.... након тога...

1717/25/25



Управљачке архитектуреУправљачке архитектуре

• Да би се омогућили одговори на сва постављена питања неопходно је да се успостави одговарајући „ток” информација;

• Ток дефинисан управљачком архитектуром;• Постоји велики број развијених архитектура;

1970 – 1985

Конвенционална

(Хијерархијска) 1985 – ...

Реактивна199Х – ...

Хибридна

1818/25/25



Хијерархијска архитектураХијерархијска архитектураЛогичан след активности:

1. Аквизиција сензорске информације;

2.2. МоделирањеМоделирање;

3.3. ПланирањеПланирање;

4. Акција.

Пример: Shakey ( Stanford Research Institute - SRI) 1970.Предности:„Потпуно” разумевање окружењаМане:Брзина процесирања информација и генерисања управљачког сигнала

1919/25/25



Реактивна управљачка архитектураРеактивна управљачка архитектура

• Базира се на понашањима понашањима (трансфер функцијама);(трансфер функцијама);

• Нема експлицитног моделирања;Нема експлицитног моделирања;

• Брзо и ефикасно процесирање информација и генерисање команде;

)(s

Genghis, MIT2020/25/25



Хибридна управљачка Хибридна управљачка архитектураархитектура

• Обухвата хијерархијску и реактивну парадигму;

• „Комбинује” најбоље од оба приступа;

• Уводи „ред” и „враћа” планирање;

SENSE

PLAN

ACT

Stanley – Stanford’s entry in Darpa’s Grand Challenge 2005

2121/25/25



Концепцијско пројектовање Концепцијско пројектовање интелигентних мобилних робота – интелигентних мобилних робота – пример (концепт) нове пример (концепт) нове хибридне хибридне

управљачке архитектуреуправљачке архитектуре

2222/25/25



Фазе пројектовањаФазе пројектовања – – „поново”„поново”

• Пројектовање се одвија у три фазе (у општем случају):

1.1. Концепцијско пројектовање Концепцијско пројектовање обухвата прелиминарно одлучивање о пројектном решењу, са циљем да се задовољи тек неколико кључних ограничења, и то на бази више алтернатива које обухватају опште одреднице;

2.2. Конструисање Конструисање производа (и читавог система) обухвата и технологичност конструкције (технологичност производа када је систем у питању) која представља меру успешности производње и експлоатације пројектоване конструкције (пројектовање производа и пројектовање за производњу); и

3.3. Конструктивна разрада детаљаКонструктивна разрада детаља (не мисли се само на конструсање машинских делова, него и нпр. пројектовање понашања интелигентног система-пројектни задатакпројектни задатак).

2323/25/25

ЛитератураЛитература



[1] Xue Ligong, Zhou Zude, Liu Quan, Application of Multi-agent in Intelligent Manufacturing System, Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Science and Software Engineering, pp. 501-504, DOI: 10.1109/CSSE.2008.549, (2008).

[2] K. Ueda, A. Markus, L. Monostori, H.J.J. Kals, T. Arai, Emergent Synthesis Methodologies for Manufacturing, Annals of the ClRP, Vol. 50 (2), pp. 535-551, (2001).

[3] George Rzevski, On Conceptual Design of Intelligent Mechatronic Systems, Journal Mechatronics, Vol. 13, pp. 1029–1044, (2003).

[4] Pahl, G., Beitz, W., Feldhusen, J., Grote, K. H., Engineering Design – A systematic Approach, ISBN 978-1-84628-318-5 3rd edition, Springer-Verlag London Limited, (2007).

[5] Masahiko Mori, Kazuo Yamazaki, Makoto Fujishima, Jiancheng Liu, Norio Furukawa, A Study on Development of an Open Servo System for Intelligent Control of a CNC Machine Tool, Annals of the ClRP, Vol. 50 (1), pp. 247-250, (2001).

2424/25/25



2525/25/25

Питања?Питања?

Хвала на пажњи!Хвала на пажњи!

Documents

ПА – 2: Концепцијско пројектовање – интелигенти мобилни роботи