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Braitenberg Vehicles: Revisao e AplicacoesKlaus Raizer

Resumo—Este trabalho tem o objetivo de apresentar uma serie de veıculos roboticos cujas trajetorias e comporta-mentos sao definidas por relacoes simples de conexao entre deteccao de estımulo e aparelho motor. Esses veıculosforam inicialmente propostos por Valentino Braitenberg em seu livro Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology em1984 e desde entao tem sido utilizados nao so para o estudo da emergencia de comportamentos complexos a partirde estruturas simples como tambem para a solucao de determinados problemas de robotica. Os modelos basicos deveıculos serao apresentados e simulados em ambiente virtual. Algumas aplicacoes reais serao apresentadas e osresultados serao comparados aos das simulacoes desenvolvidas.

Index Terms—Braitenberg, AI, vehicle control, autonomous agents

F

1 INTRODUCAO

VALENTINO Braitenberg e um cyberneti-cista e neuroanatomista. Entre suas obras

esta uma essay de tıtulo; ”Taxis, Kinesis andDecussation”de 1965. Taxis se refere ao mo-vimento reflexo de um organismo em relacaoa uma fonte de estımulo; kinesis e um movi-mento que nao possui orientacao mas dependeda intensidade do estımulo; e decussation eum feixe de fibras neurais que conectam umlado do corpo ao lado oposto do cerebro. Nessetrabalho ele sugeriu que o fenomeno de decus-sation observado em vertebrados existe poise um metodo simples e eficaz de se obtercomportamentos que garantam o movimentoorientado de um animal com relacao a umafonte de estımulo. Esse trabalho deu origem aolivro de 1983 intitulado; ”Vehicles: Experimentsin Synthetic Psychology”no qual ele descrevede maneira detalhada os comportamentos di-versos que os veıculos projetados com esseconceito podem apresentar.

• UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas, Campinas, SP.

• E-mail: klaus@fem.unicamp.br

Gostaria de agradecer ao Professor Doutor Ricardo R. Gudwin pelaorientacao ao longo do desenvolvimento deste trabalho e tambem aoDepartamento de Mecanica Computacional da faculdade de Engenha-ria Mecanica da Unicamp pela disponibilizacao dos recursos para oprojeto.

1.1 Veıculos de BraitenbergOs Veıculos de Braitenberg sao uma serie deexperimentos mentais nos quais veıculos cadavez mais complexos sao construıdos a par-tir de versoes mais simples. Suas estruturassao relativamente simples, mas dao origema comportamentos complexos que podem seridentificados como reacoes de medo, valores,agressividade e etc.

2 MATERIAIS E METODOS

2.1 Ambiente de SimulacaoPara as simulacoes do presente trabalho foiutilizado um ambiente de simulacao em Ma-tlab 7.1 (figura 1) devido a facilidade deimplementacao.

Figura 1. Ambiente de simulacao: Matlab 7.1

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Foi criado um sistema de referencia - comopode ser visto na figura 2 - para representar oveıculo em seu ambiente simulado e permitira sua interacao com as fontes de estımulo.

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Figura 2. Sistema de Referencia

2.1.1 Algoritmo simplificado1) Calculo da posicoes de cada componente

do carro e das fontes de luz2) Desenho do ambiente3) Calculo das intensidades medidas pelos

sensores4) Excitacao/Inibicao dos motores (calculo

das velocidades)5) Calculo da cinematica do sistema (novas

posicoes e angulos)6) Retorno ao passo 1

2.2 Veıculos e Simulacoes2.2.1 Veıculos tipo 1O veıculo 1 possui um sensor ligado a ummotor, como na figura 3. Quanto maior for aintensidade medida pelo sensor, maior sera avelocidade do motor que o sensor alimenta. Seo sensor for sensıvel a calor e houver uma fontede calor por perto, o carro ira se movimentartao rapido quanto mais perto o sensor estiverda fonte. Ele ira desacelerar quando estiverlonge da fonte de calor, como pode ser vistona figura 4.

No mundo real, no entanto, ha um numeroconsideravel de forcas agindo sobre o veıculode maneiras diversas. O resultado e que seu

Figura 3. Estrutura do veıculo tipo 1

Figura 4. (a) Trajetoria do veıculo 1 para umcaso ideal, (b) relacao entre a distancia da fontee a intensidade medida, (c) velocidades.

movimento, ao inves de linear, passa a serligeiramente aleatorio, tal qual um movimento-browniano , o que lhe permite alcancar regioes

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diferentes das esperadas. Em um caso real atrajetoria do veıculo se aproximaria mais dovisto na figura 5.

Figura 5. (a) Trajetoria do veıculo 1 para umcaso mais proximo do real, (b) relacao entre adistancia da fonte e a intensidade medida, (c)velocidades.

Para um observador que nao sabe do fun-cionamento interno desse veıculo, o comporta-mento apresentado passa a ideia de que se tratade uma criatura viva, que nao gosta de regioesmuito quentes.

2.2.2 Veıculos tipo 2Os veıculos do tipo dois possuem dois sensorese dois motores. Considerando o lado esquerdodo veıculo como sendo o lado A e o direito

como sendo o B, e possıvel ligar o sensor B nomotor B e o sensor A no motor A (V2a - ligacaodireta) ou o sensor B no motor A e o sensor Ano motor B (V2b - ligacao cruzada). E possıveltambem ligar o sensor A nos motores A e B e osensor B nos motores A e B, o que produziriao mesmo efeito de um veıculo do tipo 1.

Figura 6. Veıculos do tipo 2.

O efeito de V2a e que o veıculo tende aacelerar sempre que se encontra perto de algoque ative seus sensores. Se existe uma diferencanas intensidades medidas, como no caso de oveıculo estar inclinado mais para um lado, omotor do lado cujo sensor esta mais proximoda fonte tende a acelerar mais que o do ladooposto. O resultado e que o veıculo tende a seafastar da fonte. O resultado da simulacao parao veıculo v2a pode ser visto na figura 7. O fun-cionamento do veıculo depende diretamenteda diferenca entre as intensidades medidaspelos dois sensores posicionados nas lateraisdo mesmo. Assim, e possıvel verificar que umaalteracao da distancia entre os sensores acabaproduzindo uma alteracao no comportamentodo veıculo. Para o caso v2a da figura 7 nota-se que ha um aumento da sensibilidade doveıculo quando se aumenta a distancia entreos sensores.

Ja o veıculo V2b tem as suas ligacoes cruza-das. O sensor A alimenta o motor B e o sensor Balimenta o motor A. O resultado e que, no casode o sensor A estar mais proximo da fonte queo sensor B, ocorre que o motor B trabalha maisque o A, fazendo com que o veıculo se dirija

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Figura 7. Distancias entre sensores de 20 cm(a) e 40 cm (b) para v2a

em direcao a fonte com velocidade cada vezmaior, como pode ser visto na figura 8. Notarque a mudanca na distancia entre os sensoresteve um impacto profundo no comportamentodo veıculo.

Caso a fonte em questao emitisse uma de-terminada intensidade luminosa, poder-se-iadizer que ambos os veıculos nao gostam defontes de luz, sendo que o v2a e do tipocovarde que foge das fontes, enquanto que ov2b e agressivo, e tenta destruir as fontes deluz com violencia.

2.2.3 Veıculos tipo 3Uma solucao para o temperamento ruim dosveıculos V2 seria introduzir uma relacao deinibicao entre os sensores e os motores, comona figura 9.

V ≡ Kv • (1− I)

Assim, quando os sensores fossem excitadoshaveria uma reducao da velocidade dos moto-

Figura 8. Distancias entre sensores de 20 cm(a) e 40 cm (b) para v2b

Figura 9. Veıculos do tipo 3.

res. Neste cenario, os veıculos terao a tendenciade se manterem perto das fontes.

Outro fenomeno importante e que ha umainversao nos comportamentos dos dois tipospossıveis de veıculos. Neste caso, o de ligacoesdiretas se aproxima da fonte de luz e la perma-

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nece para sempre, como se o mesmo estivesseapaixonado pela fonte, como se verifica nafigura 10. Enquanto que o de ligacoes cruza-das tende a se manter um tempo perto dafonte mas eventualmente se afasta da mesma,o que caracteriza um comportamento explo-ratorio como o observado na figura 11.

Figura 10. Distancias entre sensores de 20 cm(a) e 40 cm (b) para v3a

2.2.4 Veıculos tipo 3cO veıculo do tipo 3 c e mais complexo doque os anteriores pois possui muitas de suascaracterısticas combinadas.

Ao inves de apenas um tipo de sensor eletem quatro; um par para cada tipo de fonte aser detectada. Em sua obra, Braitenberg sugereum sensor de luz outro de fonte de calor, umpara material organico (ou fonte de alimento) eum ultimo para detectar a concentracao de umgas, como o oxigenio, no ambiente.

A ligacao pode ser vista na figura 12. Oresultado e um veıculo que nao gosta de tempe-raturas muito altas ou fontes de luz, mas gosta

Figura 11. Distancias entre sensores de 20 cm(a) e 40 cm (b) para v3b

Figura 12. Veıculos v3c

de locais com alta concentracao de oxigenio equantidade de alimento.

Essa serie de comportamentos distintoscom relacao a diferentes fontes de estımulose interpretada por Braitenberg como umademonstracao de valores por parte da cria-tura. O resultado da simulacao com esse tipode veıculo pode ser verificado na figura 13,simulacao na qual o comportamento da cria-tura/veıculo se assemelha ao descrito anterior-

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mente.

Figura 13. (a) Ambiente inicial para o veıculo 3ce (b) a trajetoria percorrida pelo mesmo

3 APLICACOES

Alem de servir como base para uma melhorcompreensao da estrutura neurologica dos ver-tebrados, ha varias aplicacoes para os veıculosde Braitemberg que podem ser encontradasna literatura. Um trabalho interessante na areade robotica educacional foi feito por DavidW. Hogg , em seu artigo: Braitenberg Creatu-res, de 1991. Nesse trabalho, Hogg descrevea implementacao de 12 criaturas autonomas(na realidade variacoes dos tres primeiros tiposde veıculos descritos no livro de Braitenberg)construıdas com Electronic Bricks da LEGO.Outro trabalho interessante pode ser visto noartigo Reaching beyond the midline: why are hu-man brains cross wired? [6] de Vulliemoz. Nestetrabalho realiza-se estudos de emergencia decomportamentos complexos a partir de estrutu-ras simples. Uma aplicacao direta interessante

do princıpio de funcionamento dos veıculos deBraitenberg pode ser vista no trabalho Experi-mental Analysis of Gas-Sensitive Braitenberg Vehi-cles [5] por Lilienthal, que utiliza robos capazesde detectar concentracoes de um determinadogas e localizar a sua fonte.

3.1 Gas-Sensitive Braitenberg VehiclesO trabalho de Lilienthal fornece um exemplointeressante da aplicacao direta dos princıpiosde funcionamento dos veıculos de Braitenbergpara a solucao de um problema real especıfico.Em seu artigo, o problema de se localizar umafonte estatica de gas e solucionado utilizando-se um robo detector como o ilustrado pelafigura 14.

Figura 14. Robo detector de gas e fonte de gas.

O ambiente de estudo e uma sala, com afonte de gas posicionada em seu centro, comopode ser visto na figura 15. Uma dificuldadeparticular deste tipo de problema e o fato deque a distribuicao do gas nao varia de maneirauniforme ao longo da sala a partir da fonte.Isso ocorre devido ao fato de que o meca-nismo principal de transporte das moleculas degas e muito mais influenciado por turbulenciae conveccao do que pela difusao do gas. Aposicao do robo e adquirida a partir de um sis-tema de visao computacional alimentado porquatro cameras posicionadas nos quatro cantossuperiores da sala.

Para solucionar o problema de deteccao dafonte de gas foi utilizado o veıculo do tipo 3a,que e capaz de se direcionar para a area na qualha maior intensidade de estımulo e permanecerpor la. Tambem e possıvel aplicar uma es-trategia de localizacao indireta fazendo uso doveıculo tipo 3b. Assim, e possıvel certificar-seque de fato nao ha uma fonte de concentracao

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Figura 15. Ambiente de trabalho do robo de-tector de gas. A fonte de gas esta localizada nocentro da sala.

de gas maior do que a encontrada em algumlocal do ambiente.

Figura 16. Modelos utilizados para solucionar oproblema de deteccao de gas.

A parte superior esquerda da figura 17 mos-tra os resultados obtidos por Lilienthal na ta-refa de localizar a fonte de gas de maneiradireta. A parte superior direita mostra ummapa da concentracao do gas no ambiente deestudo. A parte inferior mostra o resultadoobtido com a simulacao feita com o programadesenvolvido no presente trabalho. Verificarque os resultados sao bastante similares.

A figura 18 mostra a aplicacao do veıculotipo 3b, notar como o termo explorador seaplica bem ao comportamento do veıculo poisele acaba realizando um mapeamento dasconcentracoes em diversos pontos do ambiente.A parte inferior da figura mostra a simulacaofeita no presente trabalho e seu resultado foicoerente com o relatado pelo artigo.

4 CONCLUSOES

Embora as estruturas internas dos veıculos deBraitenberg sejam extremamente simples, saocapazes de gerar comportamentos complexos

Figura 17. (a)Alguns resultados obtidos notrabalho de Lilienthal e (b) uma simulacao como presente trabalho para a deteccao da fonte degas.

que podem ser utilizados para a solucao deproblemas no mundo real.

Como visto nas simulacoes, a implementacaodesses veıculos em um ambiente virtual naoapresenta maiores dificuldades, o que geraa possibilidade de se utilizar tal ambientecomo um laboratorio para o desenvolvimentode veıculos ainda mais complexos. Visandoaplicacoes futuras, seria relevante desenvolveruma interface grafica que facilite a interacao dousuario com o programa. Outro projeto inte-ressante seria implementar os outros veıculosalem do terceiro visto neste trabalho. Coisa que,considerando o atual conhecimento que se temsobre a producao nessa area, ainda nao foi feita.

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Figura 18. (a)Alguns resultados obtidos notrabalho de Lilienthal e (b) uma simulacao como presente trabalho para mapeamento do ambi-ente.

REFERENCIAS

[1] Lambrinos, D.; Scheier, C.; Extended Braitenberg Architec-tures, AILab Technical Report No. 95-10, University ofZurich, Switzerland. F. Fogelman-Soulie, J-L. Rault, P. Gal-linari and G. Dreyfus (Eds.) Paris: EC2 and Cie.1995

[2] French, R.L.B.; Canamero, L.; Introducing Neuromodulationto a Braitenberg Vehicle, Robotics and Automation, 2005.ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE InternationalConference on , vol., no., pp. 4188-4193, 18-22 April 2005

[3] Hogg, D.W.; Martin, F.; Mitchel Resnick, M.; Braitenberg cre-atures Technical memo, MIT Media Laboratory, Cambridge,Massachusetts, 1991.

[4] Braitenberg, V.; Vehicles: Experiments in Synthetic PsychologyThe MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1984.

[5] Lilienthal, A.; Duckett, T.; Experimental Analysis of Gas-Sensitive Braitenberg Vehicles, RSJ Journal of Advanced Ro-botics, in press. 2004

[6] Vulliemoz, S.; Raineteau, O.; Jabaudon, D.; Reaching beyondthe midline: why are human brains cross wired?, The LancetNeurology, New Jersey, 2005