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http://hdl.handle.net/10071/11399
Autoria: | Duarte, Miguel António Frade |
Orientação: | Christensen, Anders Lyhne Oliveira, Sancho Moura |
Data: | 2016 |
Título próprio: | Engineering evolutionary control for real-world robotic systems |
Referência bibliográfica: | Duarte, M. A. F. (2016). Engineering evolutionary control for real-world robotic systems [Tese de doutoramento, Iscte - Instituto Universitário de Lisboa]. Repositório do Iscte. http://hdl.handle.net/10071/11399 |
ISBN: | 978-989-732-864-0 |
Palavras-chave: | Evolutionary robotics Hierarchical control systems Hybrid control Swarm robotics Multirobot systems Artificial neural networks Robótica evolutiva Sistemas de controlo hierárquicos Controlo híbrido Robótica de enxame Sistemas multi-robô Redes neuronais artificiais |
Resumo: | Evolutionary Robotics (ER) is the field of study concerned with the application
of evolutionary computation to the design of robotic systems. Two main
issues have prevented ER from being applied to real-world tasks, namely scaling to
complex tasks and the transfer of control to real-robot systems. Finding solutions
to complex tasks is challenging for evolutionary approaches due to the bootstrap
problem and deception. When the task goal is too difficult, the evolutionary process
will drift in regions of the search space with equally low levels of performance
and therefore fail to bootstrap. Furthermore, the search space tends to get rugged
(deceptive) as task complexity increases, which can lead to premature convergence.
Another prominent issue in ER is the reality gap. Behavioral control is typically
evolved in simulation and then only transferred to the real robotic hardware when
a good solution has been found. Since simulation is an abstraction of the real
world, the accuracy of the robot model and its interactions with the environment
is limited. As a result, control evolved in a simulator tends to display a lower
performance in reality than in simulation.
In this thesis, we present a hierarchical control synthesis approach that enables
the use of ER techniques for complex tasks in real robotic hardware by mitigating
the bootstrap problem, deception, and the reality gap. We recursively decompose
a task into sub-tasks, and synthesize control for each sub-task. The individual
behaviors are then composed hierarchically. The possibility of incrementally
transferring control as the controller is composed allows transferability issues to
be addressed locally in the controller hierarchy. Our approach features hybridity,
allowing different control synthesis techniques to be combined. We demonstrate
our approach in a series of tasks that go beyond the complexity of tasks where ER
has been successfully applied. We further show that hierarchical control can be applied
in single-robot systems and in multirobot systems. Given our long-term goal
of enabling the application of ER techniques to real-world tasks, we systematically
validate our approach in real robotic hardware. For one of the demonstrations in
this thesis, we have designed and built a swarm robotic platform, and we show the
first successful transfer of evolved and hierarchical control to a swarm of robots
outside of controlled laboratory conditions. A Robótica Evolutiva (RE) é a área de investigação que estuda a aplicação de computação evolutiva na conceção de sistemas robóticos. Dois principais desafios têm impedido a aplicação da RE em tarefas do mundo real: a dificuldade em solucionar tarefas complexas e a transferência de controladores evoluídos para sistemas robóticos reais. Encontrar soluções para tarefas complexas é desafiante para as técnicas evolutivas devido ao bootstrap problem e à deception. Quando o objetivo é demasiado difícil, o processo evolutivo tende a permanecer em regiões do espaço de procura com níveis de desempenho igualmente baixos, e consequentemente não consegue inicializar. Por outro lado, o espaço de procura tende a enrugar à medida que a complexidade da tarefa aumenta, o que pode resultar numa convergência prematura. Outro desafio na RE é a reality gap. O controlo robótico é tipicamente evoluído em simulação, e só é transferido para o sistema robótico real quando uma boa solução tiver sido encontrada. Como a simulação é uma abstração da realidade, a precisão do modelo do robô e das suas interações com o ambiente é limitada, podendo resultar em controladores com um menor desempenho no mundo real. Nesta tese, apresentamos uma abordagem de síntese de controlo hierárquica que permite o uso de técnicas de RE em tarefas complexas com hardware robótico real, mitigando o bootstrap problem, a deception e a reality gap. Decompomos recursivamente uma tarefa em sub-tarefas, e sintetizamos controlo para cada subtarefa. Os comportamentos individuais são então compostos hierarquicamente. A possibilidade de transferir o controlo incrementalmente à medida que o controlador é composto permite que problemas de transferibilidade possam ser endereçados localmente na hierarquia do controlador. A nossa abordagem permite o uso de diferentes técnicas de síntese de controlo, resultando em controladores híbridos. Demonstramos a nossa abordagem em várias tarefas que vão para além da complexidade das tarefas onde a RE foi aplicada. Também mostramos que o controlo hierárquico pode ser aplicado em sistemas de um robô ou sistemas multirobô. Dado o nosso objetivo de longo prazo de permitir o uso de técnicas de RE em tarefas no mundo real, concebemos e desenvolvemos uma plataforma de robótica de enxame, e mostramos a primeira transferência de controlo evoluído e hierárquico para um exame de robôs fora de condições controladas de laboratório. |
Designação do grau: | Doutoramento em Ciências e Tecnologias da Informação |
Arbitragem científica: | yes |
Acesso: | Acesso Aberto |
Aparece nas coleções: | T&D-TD - Teses de doutoramento |
Ficheiros deste registo:
Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
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