Robotika je unikátní směs vědy a technologie, která vyrábí stroje, které napodobují jednání lidí.
Na počátku roku 2000 bylo 90 % robotů v závodech na výrobu automobilů, které nahrazovaly lidi při opakujících se úkolech. Nyní mohou roboti vysávat domy a dokonce sloužit v restauracích.
Robot se obvykle skládá ze tří typů součástí; mechanické tělo; elektrická kostra a nakonec mozek vytvořený pomocí kódu.
Tyto komponenty umožňují robotovi sbírat data (často ze senzorů), rozhodovat se prostřednictvím naprogramované logiky, aby přizpůsobil chování a dokončil úkoly.
Roboti mohou mít tři typy programů; Dálkové ovládání (RC), Umělá inteligence (AI), nebo Hybrid.
RC programy vyžadují zásah člověka, který může dát robotovi signál start a/nebo stop pro provedení kódu. Programy se skládají z různých typů algoritmů, z nichž každý má jinou funkci.
Co je to algoritmus?
Algoritmus je řada řádků kódu, které může robot použít k provádění určitých instrukcí. Překládá myšlenky vývojáře do jazyka, kterému rozumí roboti.
Algoritmy mohou být vyjádřeny v mnoha druzích zápisu, včetně pseudokódu, vývojových diagramů, programovací jazykynebo kontrolní tabulky.
V tomto článku probereme některé běžné typy algoritmů používaných v těchto programech.
Typy algoritmů používaných v robotice
1. Algoritmus A* kdykoliv
Algoritmus A* je algoritmus hledání cesty, který se používá k nalezení nejoptimálnější cesty mezi dvěma body, tj. s nejnižšími náklady.
Anytime A* Algorithm má flexibilní časové náklady a může vrátit nejkratší cestu, i když je přerušena, protože nejprve generuje neoptimální řešení a poté je optimalizuje.
To umožňuje rychlejší rozhodování, protože robot může stavět na předchozích výpočtech, místo aby začínal od nuly.
Jak to funguje?
Dělá to vytvořením „stromu“, který se rozprostírá od počátečního uzlu, dokud nejsou spuštěna kritéria pro ukončení, což znamená, že je k dispozici méně nákladná cesta.
Je vytvořena 2D mřížka s překážkami a počáteční buňka a cílové buňky jsou špičaté.
Algoritmus definuje 'hodnotu' uzlu pomocí f, což je součet parametrů g (cena přesunu z počátečního uzlu do příslušného uzlu) a h (cena přesunu z příslušného uzlu do cílového uzlu).
Aplikace
Mnoho her a webových map používá tento algoritmus pro efektivní nalezení nejkratší cesty. Lze jej použít i pro mobilní roboty.
Můžete také řešit složité problémy, jako je např Newton-Raphson iterace aplikovaná na nalezení druhé odmocniny čísla.
Používá se také v úlohách trajektorie k předpovědi pohybu a kolize objektu v prostoru.
2. D* Algoritmus
D*, Focused D* a D* Lite jsou inkrementální vyhledávací algoritmy pro nalezení nejkratší cesty mezi dvěma body.
Jsou však směsí A* algoritmů a nových objevů, které jim umožňují přidávat do map informace o neznámých překážkách.
Poté mohou přepočítat trasu na základě nových informací, podobně jako Mars Rover.
Jak to funguje?
Funkce D* Algoritmu je podobná jako u A*, algoritmus nejprve definuje f, h a vytvoří otevřený a uzavřený seznam.
Poté D* Algoritmus určí hodnotu g aktuálního uzlu pomocí hodnoty g sousedních uzlů.
Každý sousední uzel odhadne aktuální hodnotu g a nejkratší hodnota g se přizpůsobí jako nová hodnota g.
Aplikace
D* a jeho varianty jsou široce používány pro mobilní roboty a autonomní vozidlo navigace.
Mezi takové navigační systémy patří prototyp systému testovaný na marsovských roverech Opportunity a Spirit a navigační systém, který vyhrál Městská výzva DARPA.
3. Algoritmus PRM
PRM, neboli pravděpodobnostní plán, je síťový graf možných cest založených na volných a obsazených místech na dané mapě.
Používají se v komplexních plánovacích systémech a také k nalezení levných cest kolem překážek.
PRM používají náhodný vzorek bodů na své mapě, kde se může robotické zařízení případně pohybovat, a pak je vypočítána nejkratší cesta.
Jak to funguje?
PRM se skládá z fáze výstavby a dotazování.
V první fázi je vytvořen graf, který aproximuje možné pohyby v prostředí. Poté se vytvoří náhodná konfigurace a připojí se k některým sousedům.
Konfigurace začátku a cíle jsou připojeny ke grafu ve fázi dotazu. Cestu pak získá a Dijkstrova nejkratší cesta dotaz.
Aplikace
PRM se používá v místních plánovačích, kde algoritmus počítá přímou cestu mezi dvěma body, jmenovitě počátečním a cílovým bodem.
Algoritmus lze také použít ke zlepšení plánování cest a aplikací detekce kolizí.
4. Algoritmus bodu nulového momentu (ZMP).
Zero Moment Point (technika ZMP) je algoritmus používaný roboty k udržení celkové setrvačnosti opačné k reakční síle podlahy.
Tento algoritmus využívá koncept výpočtu ZMP a aplikuje jej způsobem pro vyvážení bipedálních robotů. Použití tohoto algoritmu na hladkém povrchu podlahy zdánlivě umožňuje robotovi chodit, jako by neexistoval žádný okamžik.
Výrobní společnosti jako ASIMO (Honda) používají tuto techniku.
Jak to funguje?
Pohyb kráčejícího robota je plánován pomocí rovnice momentu hybnosti. Zajišťuje, že generovaný pohyb kloubu zaručuje dynamickou posturální stabilitu robota.
Tato stabilita je kvantifikována vzdáleností bodu nulového momentu (vypočteného algoritmem) v rámci hranic předem definované oblasti stability.
Aplikace
Body nulového momentu lze použít jako metriku k posouzení stability robotů, jako je iRobot PackBot, proti převrácení při navigaci po rampách a překážkách.
5. Algoritmus řízení proporcionálního integrálního diferenciálu (PID).
Proporcionální integrální diferenciální řízení nebo PID vytváří zpětnovazební smyčku snímače pro úpravu nastavení pro mechanické součásti výpočtem hodnoty chyby.
Tyto algoritmy kombinují všechny tři základní koeficienty, tj. proporční, integrální a derivační tak, že vytvářejí řídicí signál.
Funguje v reálném čase a tam, kde je potřeba, aplikuje opravy. To je vidět v self-řídit auta.
Jak to funguje?
PID regulátor používá tři regulační členy proporcionality, integrálního a derivačního vlivu na svém výstupu, aby bylo možné aplikovat přesné a optimální řízení.
Tento regulátor nepřetržitě vypočítává chybovou hodnotu jako rozdíl mezi požadovanou požadovanou hodnotou a měřenou procesní proměnnou.
Poté aplikuje korekci, aby se chyba v průběhu času minimalizovala úpravou řídicí proměnné.
Aplikace
Tento regulátor může řídit jakýkoli proces, který má měřitelný výstup, známou ideální hodnotu pro tento výstup a vstup do procesu, který ovlivní měřitelný výstup.
Ovladače se používají v průmyslu k regulaci teploty, tlaku, síly, hmotnosti, polohy, rychlosti a jakékoli další proměnné, pro kterou existuje měření.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Takže to byly některé z nejběžnějších algoritmů používaných v robotice. Všechny tyto algoritmy jsou poměrně složité se směsí fyziky, lineární algebry a statistik, které se používají k mapování akcí a pohybu.
S technologickým pokrokem se však budou vyvíjet robotické algoritmy, které budou ještě složitější. Roboti budou moci plnit více úkolů a více myslet sami za sebe.
Pokud se vám tento článek líbil, přihlaste se k odběru HashDork's Weekly aktualizace prostřednictvím e-mailů, kde sdílíme nejnovější zprávy o AI, ML, DL, Programming & Future Tech.
Napsat komentář