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ISSN: 2175-8905 - Vol. X 33

VALIDACAO ROBOTICA EM SIMULACAO MULTIAGENTES: UMA PROPOSTA DELIGACAO ENTRE OS MUNDOS VIRTUAL E REAL

Alexandre Heideker, Maria das Gracas Bruno Marietto, Wagner Tanaka Botelho,Robson dos Santos Franca∗

∗Centro de Matematica, Computacao e Cognicao - Universidade Federal do ABCSanto Andre, Sao Paulo, Brasil

Email: alexandre.heideker@ufabc.edu.br, graca.marietto@ufabc.edu.br,

wagner.tanaka@ufabc.edu.br, robson.franca@ufabc.edu.br

Abstract— The agent-based simulation has shown its value in several studies, creating models to understandand improve the target system considered. In literature, there are many methods and tools to validate thesesimulations. However, in certain types of multiagent systems (i.e. social-cognitive model), there are conceptualmodels that can not be validated by traditional methods. The aim of this paper is to present a proposal forthe validation of multiagent simulations by an interconnection between the real and virtual world with the useof robotic platforms. The study of robotics validation methods to be applied in a multi-agent system and theadaptation of LEGO Mindstorms NXT platform will create a real environment.

Keywords— Agent-based Simulation, Validation, Robotic, LEGO, NXT, Mindstorms.

Resumo— A simulacao baseada em agentes tem mostrado seu valor em diversos estudos, criando modelospara entender e aprimorar o sistema alvo considerado. Na literatura, existem varios metodos e ferramentas paravalidar estas simulacoes. Porem, em determinados tipos de Simulacao Multiagentes (exemplo do modelo socio-cognitivo), ainda existem modelos conceituais que nao podem ser validados pelos metodos tradicionais. O objetivoprincipal deste artigo e apresentar uma proposta para a validacao de Simulacoes Multiagentes via interligacaoentre o mundo real e virtual com o uso de plataformas roboticas. O estudo dos metodos de validacao roboticaa ser aplicado em um sistema multiagentes e a adaptacao da plataforma LEGO Mindstorms NXT permitira acriacao de um ambiente real.

Palavras-chave— Simulacao Multiagentes, Validacao, Robotica, LEGO, NXT, Mindstorms.

1 INTRODUCAO

A area de Simulacao Multiagentes e formada pelainterseccao das areas de Inteligencia Artificial Dis-tribuıda (IAD) e Simulacao Computacional. Oobjetivo dos pesquisadores em Simulacao Multia-gentes, quando do uso do arcabouco oferecido pelaIAD, e utiliza-lo na modelagem, implementacao eanalise de simulacoes que levem a um melhor en-tendimento dos sistemas que estao sendo simula-dos. Para tanto o conhecimento da infraestruturanecessaria a construcao de Sistemas Multiagentese utilizado.

A credibilidade e consequente aceitacao deum modelo conceitual modelado computacional-mente e atestada atraves do processo de valida-cao, que procura atestar o resultado final do tra-balho, avaliando a sua correspondencia com os re-sultados esperados e/ou objeto de estudo. Em(Caughlin, 2000), a validacao e determinada pelograu que o modelo representa o mundo real ou oobjeto de estudo.

Durante o processo de validacao as simula-coes sao, de uma forma geral, avaliadas isoladasdo mundo real modelado, criando uma fronteiraentre os resultados de simulacao e o que de fatoocorre na realidade. De forma geral, em trabalhosencontrados na literatura, a validacao dos resul-tados de simulacoes sao feitas utilizando tecnicasvisuais, estatısticas e comparativas. A principaldificuldade neste processo e que nao ha consenso

sobre quais metodos sao os mais indicados paradeterminadas situacoes, e quando e onde aplica-los.

A proposta deste artigo e apresentar umaforma de validacao em um ambiente de simula-cao, onde os agentes virtuais e roboticos intera-gem em tempo real, expandindo a percepcao ob-tida e fornecendo novos dados para melhor com-preender e validar o modelo conceitual desenvol-vido, criando uma ligacao entre a simulacao e omundo real. Neste contexto, nao so a implementa-cao desta nova abordagem como tambem a apre-sentacao desta visao a comunidade cientıfica re-presenta uma significativa contribuicao a area deSimulacoes Multiagentes e Robotica.

2 VALIDACAO EM SIMULACAOMULTIAGENTES: Estudo de Caso

Nesta secao tem-se a apresentacao da modelagemconceitual de uma simulacao multiagentes, uti-lizada como base para o estudo do processo deintegracao e validacao entre os mundos virtuale real. A proposta e que os agentes virtuais eroboticos interajam em tempo real. O estudode caso proposto considera que a resolucao deproblemas de busca representa um vasto campode pesquisa em IA, assim como a sua influenciana Robotica. O deslocamento, reconhecimento eplanejamento dos movimentos em um ambiente

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desconhecido permite que dispositivos roboticosautonomos possam realizar suas funcoes emtais ambientes dinamicos. Esta relacao entrea IA e a Robotica, assim como as diferentesinfluencias que ambientes virtual e real podem tersobre este sistema, levou a escolha da simulacaodo Robo Explorador a ser validado no mundo real.

ObjetivoEm um ambiente desconhecido, um labirinto

ou uma sala com algumas paredes divisorias e umgrupo de robos que compartilham sua informacoescriando uma memoria coletiva, busca-se mapear oambiente na intencao de encontrar a saıda. Alemde detectar e mapear as paredes, os robos devemevitar trafegar em locais ja conhecidos, evitarchoques, bem como determinar o melhor trajetoate a saıda.

Modelo ConceitualNo modelo proposto neste trabalho tem-se um

sistema multiagentes de robos exploradores, ondecada agente de maneira independente constroi seuproprio mapa atraves de um sistema de visao com-putacional simulado.

O mapa local de cada robo, que representa suavisao parcial do ambiente, e compartilhado comos demais robos da agencia. As premissas para acriacao do modelo conceitual sao as seguintes:- O agente esta simulando um robo e, portanto,deve considerar suas caracterısticas e limitacoes;- O robo possui quatro sensores que podem iden-tificar obstaculos: frente, traz, direita e esquerda;- As paredes sao detectadas por estes sensores eimediatamente adicionadas ao mapa;- O mapa e compartilhado por todos os robos e as-sim todos contribuem para a formacao do mesmo;- O mapa e confiavel, ou seja, a informacao for-necida por todos os robos corresponde ao que foidetectado pelos sensores;- Caminhos ja percorridos devem ser evitados. Ca-minhos desconhecidos sao priorizados;- Quando ha informacao suficiente para encontrara saıda, algoritmos de busca mais eficientes devemser utilizados.

O RoboO agente robo e capaz de movimentar-se

nas quatro direcoes e detectar os obstaculos. Acada movimento, o mesmo avalia a informacaode seus sensores e seu ultimo movimento paradeterminar o seu proximo passo. Em primeirolugar o agente verifica em quais direcoes e possıvelmovimentar-se, detectando paredes e outros agen-tes. Estas informacoes sao incluıdas no mapa e,considerando tal informacao, e feita a escolha danova posicao entre as disponıveis, considerando acontinuidade do movimento, custos do processode mudanca de direcao, locais nao explorados elocais menos visitados. No momento que o agente

Figura 1: Ambiente Discretizado e Traduzido emum Grafo.

robo ocupa uma nova posicao, este ponto nomapa e incrementado para identificar que umanova visita foi feita neste ponto.

Algoritmo de Busca

Considerando as heurısticas discutidas ateo momento, pode-se classificar o algoritmo debusca utilizado ate entao como busca cega,considerado pouco eficiente. Como nesta etapanao ha informacao de maior alcance no mapa(o robo apenas consegue detectar o que ha nasposicoes adjacentes a sua), nao e possıvel aplicaralgoritmos mais avancados. Alem disso, a explo-racao e consequente mapeamento do ambientee favorecida por algoritmos exploratorios. Nomomento em que ha informacao suficiente, obtidapor um ou mais agentes, ligando a posicao atualdo agente ate a saıda, o algoritmo de busca emum grafo A∗ e aplicado para obter o caminhomais curto ate a saıda(Russell and Norvig, 2004).A Figura 1 mostra a discretizacao e a traducaoda mesma em um grafo.

Arquitetura do Sistema

A Figura 2 mostra a arquitetura do modeloconceitual proposta. Na Figura 2A tem-se a si-mulacao virtual multiagentes de robos explorandoum labirinto. Na Figura 2C tem-se o mundo real,representado por um labirinto fısico, com paredesreais, onde os robos reais fazem sua exploracao.A definicao de um middleware (Figura 2B), comomecanismo de ligacao, realiza a comunicacaoentre a simulacao e os robos.

Definicao dos Componentes

Considerando a arquitetura proposta na Fi-gura 2, pode-se definir os seguintes componentesenvolvidos na simulacao: ambiente virtual, agentevirtual, ambiente real, agente real, middleware eo protocolo de comunicacao.

Ambiente Virtual: Este elemento deve representaruma abstracao do ambiente real de forma ade-

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Figura 2: Modelo Conceitual para a Simulacao doRobo Explorador.

quada, que no caso deste trabalho e um labirinto.Seus caminhos devem ser iguais, assim como suasproporcoes, para que a discretizacao realizada nasimulacao corresponda o mais proximo possıvelao mundo real. Alem disso, os mesmos elementosdetectados pelos sensores no ambiente real devemser detectados da mesma forma no ambientevirtual.

Agente Virtual: E o agente da simulacao, ou seja,um objeto computacional com todas as acoes,reacoes e caracterısticas do modelo conceitual.

Ambiente Real: E o labirinto fısico. Nesteelemento as informacoes relevantes sao as confi-guracoes fısicas e adequacao ao robo, para que omesmo possa realizar suas manobras, detectar osobstaculos e percorrer seu interior.

Agente Real: E o robo desenvolvido em umaplataforma robotica. Deve possuir capacidademotora adequada para percorrer o labirinto edetectar as paredes do mesmo. Sua velocidadee capacidade de manobra devem ser adequadaspara que seu movimento seja o mais precisopossıvel, evitando assim discrepancia entre omovimento do agente virtual e do agente real.

Middleware: Corresponde a composicao entresoftware/hardware necessaria para interligar osagentes virtuais com os agentes reais. Aqui saodefinidos protocolos, estruturas de dados, formasde interacao entre os agentes, etc. Pode-se dividireste elemento em dois componentes basicos:a interface real, hospedada pelo agente real eresponsavel por receber e enviar dados de/paraa simulacao. E a interface virtual, hospedada nasimulacao e responsavel pelo envio e recebimentodas informacoes para a interface real. Entre estasinterfaces, define-se o protocolo da comunicacao,alem e claro do meio pelo qual esta comunicacaoocorre.

Protocolo de Comunicacao

A arquitetura descrita ate este ponto de-manda a definicao de um protocolo de comunica-

Figura 3: Diagrama da Arquitetura Geral do Mid-dleware.

cao entre o ambiente computacional e o ambienterobotico. O middleware responsavel por imple-mentar este protocolo e realizar a interface entreo mundo virtual e o mundo real e composta pelainterface virtual, responsavel por enviar os coman-dos para o ambiente real e receber os dados doambiente real e a interface real, responsavel porreceber os comandos do ambiente virtual, traduzi-los em acoes fısicas e enviar ao ambiente virtualas informacoes do estado do ambiente real.

A Figura 3 ilustra o diagrama geral domiddleware, com o fluxo de dados atraves dasinterfaces real e virtual, assim como a sua posicaologica no ambiente virtual e no agente real.

Interface Virtual: Pode-se observar na Figura3, pelos passos de 1© a 3©, que apos a tomadade decisao por parte do agente na simulacaocomeca o processo de comunicacao com o mundoreal. O proximo passo e traduzir esta acao emcomandos dentro da especificacao do protocolo decomunicacao. Em seguida os dados sao enviadospara o agente real atraves de um meio qualquer- neste momento a interface virtual entra em umestado de espera pela resposta do agente real.Apos a execucao das acoes do robo, o controleretorna a interface do sistema virtual no passo 10©,onde ocorre a recepcao dos dados do mundo real.No passo 11©, e feita a traducao desta respostapara que o ambiente virtual seja atualizado comestes dados. Finalmente o controle e devolvido asimulacao.

Interface Real: A Figura 3 mostra no passo 4©a interface real em um estado de espera porcomandos do mundo virtual. Estes comandossao traduzidos em acoes para o agente real nopasso 5© e sao executadas pelo mesmo no passo6©. Em seguida o ambiente real e avaliado pelo

agente real e estes dados sao traduzidos para oprotocolo de comunicacao nos passos 7© e 8©,sendo enviados ao ambiente virtual na sequencia.

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Finalmente o agente real volta ao estado deespera, aguardando um novo comando.

Sincronismo da Simulacao com o Mundo Real:Ocorre nos passos 4© e 10©, quando ha uma esperado ambiente real quando o ambiente virtual estaem execucao, e uma espera do ambiente virtualquando o real esta em execucao, respectivamente.

3 IMPLEMENTACAO

Nesta secao tem-se a apresentacao da implemen-tacao do modelo conceitual apresentado na secaoanterior, utilizando a plataforma Swarm (SwarmDevelopment Group, 2011) como ambiente desimulacao multiagentes e a plataforma LEGOMindstorms para implementar os agentes roboti-cos. Como ambiente de execucao para os robosfoi utilizada a Virtual Machine LeJOS (LeJOSTeam, 2011), que habilita o controlador LEGONXT a executar programas escritos na linguagemJava.

Definicao do Protocolo de ComunicacaoNo contexto da simulacao do robo explo-

rador, o protocolo da comunicacao e definidopelas mensagens que a interface real pode recebere a respectiva acao e resposta. Esta interfaceresponde a dois tipos de comando: deslocamentoe coleta de dados. O comando de deslocamentoocorre pelo envio de um codigo pela interfacevirtual que corresponde a nova posicao que deveser assumida pelo robo, relativa ao labirinto. Omeio de comunicacao escolhido e o sinal de radio-frequencia utilizando a tecnologia Bluetooth, queesta implementado de forma nativa no LEGOMindstorms.

Interface VirtualA interface virtual e responsavel por receber

os comandos da simulacao, traduzi-los para o pro-tocolo, enviar estes comandos para o robo, rece-ber sua resposta e finalmente devolver a simulacaoas informacoes fornecidas pelo robo a respeito doambiente real. Durante a criacao das instanciasdos agentes da simulacao, os agentes reais instan-ciam a classe InterfaceVirtual. O construtor daclasse recebe um conjunto de seis numeros sepa-rados por dois pontos, que representa o enderecounico de um dispositivo bluetooth. Este enderecoe especificado em cada dispositivo que usa a tec-nologia bluetooth e e utilizado para diferenciar orobo que recebera os comandos da interface.

4 O AGENTE ROBO REAL

Os requisitos para o robo explorador real sao a ca-pacidade de deslocamento por todo o labirinto, ca-pacidade de manobra, dimensoes adequadas, per-mitindo que o mesmo faca suas manobras sem mo-

Figura 4: (a) Esquema de Ligacoes entre o NXTe os Perifericos. (b) Prototipo Desenvolvido parao Experimento.

dificar o ambiente, sistema de sensor capaz de ob-ter informacao a respeito de obstaculos adjacentesa sua posicao atual, sistema de comunicacao semfio que permita o trafego de dados bi-direcionais,controle de movimento que permita a reprodu-cao precisa dos movimentos desejados e a capa-cidade de processamento adequada ao algoritmoutilizado.

Para a implementacao do robo foi escolhidaa plataforma LEGO Mindstorms NXT, por suaversatilidade e por suprir todos os requisitos doprojeto de forma satisfatoria. A Figura 4b ilustraa imagem do prototipo utilizado no experimento.

Especificacao de Hardware

A Figura 4a mostra o esquema de ligacoes en-tre o controlador conhecido como NXT e os tresmotores utilizados na montagem. Ha tambem aligacao entre o sensor de distancia e o controla-dor.

O controlador NXT possui tres portas desaıda para servomotores, sendo a porta B e a portaC utilizadas para o deslocamento do robo e a portaA para movimentar o sensor de distancia. O NXTtambem possui quatro entradas para sensores, po-rem apenas a Entrada 1 e utilizada no prototipo.A implementacao deste agente requer a deteccaode obstaculos nos quatro lados do robo: frente,tras, direita e esquerda. Para utilizar apenas umsensor de distancia para esta tarefa, e necessariorotacionar o sensor nestas direcoes e efetuar umaleitura do mesmo a cada 90 graus. A Figura 5ilustra a forma utilizada para implementar estesensor rotativo.

O primeiro passo e efetuar a leitura do sensorna posicao inicial. Em seguida, o motor A erotacionado em 90 graus. Uma nova leitura efeita no sensor. Uma nova rotacao de 90 grause realizada no motor A, seguida de uma novaleitura no sensor. Uma nova rotacao de 90 grause realizada seguida de uma ultima leitura nosensor. Finalmente, o motor A e rotacionado em270 graus negativos para que o mesmo retorne asua posicao inicial.

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Figura 5: Design Utilizado para Efetuar a Leiturade Obstaculos.

Especificacao dos Movimentos

Dois movimentos basicos sao implementadosneste robo: rotacao e deslocamento. Entende-secomo rotacao a operacao de girar o robo 90 grauspara a esquerda ou para a direita, em torno deseu proprio eixo. Para realizar este movimento,tanto o motor B quanto o motor C sao aciona-dos com a mesma especificacao de movimento,porem, com sentidos de rotacao contrarios. Omovimento resultante em cada roda tem sentidooposto, fazendo o robo rodar em seu proprioeixo. No deslocamento, o robo move-se em umatrajetoria retilınea, por uma distancia de 30cmque corresponde a distancia entre o centro deduas celulas do labirinto real - neste caso, o motorB e o motor C recebem a mesma especificacao demovimento, com o mesmo sentido.

Algoritmo de Correcao de Erros

O movimento realizado pelo robo e influen-ciado por uma grande quantidade de variaveis,desde diferencas de fabricacao de componenteseletro-mecanicos, velocidade, ate caracterıs-ticas do solo como atrito, relevo, etc. Esteserros sao acumulados durante o experimento.Para reduzir a influencia destas variaveis, enecessario utilizar algoritmos para correcao deerros. Nesta implementacao foi utilizado umaalgoritmo simples, que corrige erros de desloca-mento utilizando a distancia entre as paredesdetectadas do labirinto. De posse da informacaode distancia entre a parede lateral e o robo, omesmo pode tomar a decisao de afastar-se damesma de forma leve, caso a distancia nao sejamuito pequena, ou de forma drastica, caso a dis-tancia entre o robo e a parede seja muito pequena.

Interface Real e o Software de Controle

A interface real e responsavel por receber oscomandos enviados pela simulacao e traduzi-losem acoes relacionadas ao estado atual do robo.Para tanto, o software de controle corrigi o movi-mento quando necessario, alem de obter os dadossobre o estado do ambiente real. Finalmente estesdados sao enviados atraves da interface real a si-mulacao. Alem do software de controle ainda ha

Figura 6: Foto do Labirinto Real.

Figura 7: Encontro entre o Agente Real e o Vir-tual.

uma estrutura de dados para armazenar a posicaorelativa atual do robo, representando a bussola in-terna do robo.

5 CENARIO E EXECUCAO

A Figura 6 mostra o labirinto real construıdo paraa realizacao do experimento. Trata-se da repro-ducao real do labirinto utilizado na simulacao, emuma matriz de oito por oito celulas. As celulas nolabirinto real sao quadrados com 30cm de lado, eas paredes tambem possuem 30cm de altura, su-ficiente para que o sensor do robo fique abaixodesta, tornando possıvel a deteccao da mesma.

O primeiro resultado experimental obtido foia reproducao de eventos de grande importanciapara a realizacao deste projeto, como o caso deum agente virtual encontrar um agente real. Estasituacao e ilustrada na Figura 7, onde o encontroe exibido na simulacao e a imagem capturada domundo real. Nos passo 1© ate 4© ocorre a apro-ximacao entre os agentes, nos passos 5© ate 8© oencontro e finalmente nos passos 9© ate 12© o afas-tamento entre eles1.

O segundo resultado experimental e a realiza-cao do experimento completo, em um cenario comquatro agentes, sendo dois reais e dois virtuais. AFigura 8 mostra as imagens do simulador na exe-

1Disponıvel em http://youtu.be/l86yJcIBzUg

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cucao deste experimento, com imagens capturadasa cada passo da simulacao (de 1© ate 9©). Ao ladode cada imagem da simulacao, ha a imagem cap-turada pela camera de vıdeo no mesmo instanteno mundo real2.

6 CONCLUSOES E TRABALHOSFUTUROS

A proposta apresentada neste artigo, e sua con-sequente implementacao, mostra que a ligacao en-tre mundos real e virtual como ferramenta, nao sode validacao como tambem de aprimoramento domodelo conceitual, e uma linha de pesquisa e de-senvolvimento promissora nas areas de IA e Robo-tica. A interferencia de fatores fısicos como atrito,inercia, limitacao de materiais, etc., muitas vezesnao sao considerados na criacao de modelos con-ceituais, colocando em discussao a validade destesmodelos frente ao cenario real. Durante a reali-zacao desta pesquisa este fatores surgiram e fo-ram tratados pelos agentes reais sem a interferen-cia da simulacao. Outro resultado obtido com su-cesso durante os experimentos foi a interacao entreagentes virtuais e os robos. Este resultado mostraque e possıvel utilizar esta proposta para desenvol-ver modelos hıbridos, onde parte dos agentes reaisestao disponıveis para o estudo e os demais agen-tes sao virtuais. Durante o desenvolvimento destetrabalho foram identificados alguns pontos onde enecessario um maior aprofundamento, como a cri-acao de um modelo mais complexo de middleware,contemplando caracterısticas mais abrangentes, aassociacao e comparacao com as tecnicas classicasde validacao, o desenvolvimento de modelos comdiscretizacoes mais complexas e menos rıgidas, ouso de plataformas roboticas especıficas, entre ou-tros.

Referencias

Caughlin, D. (2000). An integrated approachto verification, validation, an accredition ofmodels and simulations, Winter SimulationConference .

LeJOS Team (2011). http://lejos.sourceforge.net- acessado em 05 de janeiro de 2011.

Russell, S. and Norvig, P. (2004). Inteligencia Ar-tificial, 2a. ed. edn, Elsevier Editora, Rio deJaneiro, Brasil.

Swarm Development Group (2011).http://www.swarm.org - acessado em10 de fevereiro de 2011.

2Disponıvel em http://youtu.be/luczEwmxYFcFigura 8: Imagem do Experimento Completo -Mundo Virtual e Mundo Real.