Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s
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Utilização de Técnicas de Verificação Formal para a Coordenação de Sistemas Multi-Robôs. Victor Boeing Ribeiro. 27 de outubro de 2011. Sumário. Conceitos básicos Introdução Modelagem UPPAAL Implementação Expansão do método redução de complexidade Conclusão e perspectivas.

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Utilização de Técnicas de Verificação Formal para a Coordenação de Sistemas Multi-Robôs

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Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Utilização de Técnicas de Verificação Formal para a Coordenação de Sistemas Multi-Robôs

Victor Boeing Ribeiro

27 de outubro de 2011


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Sumário

  • Conceitos básicos

  • Introdução

  • Modelagem UPPAAL

  • Implementação

  • Expansão do método

  • redução de complexidade

  • Conclusão e perspectivas

Sumário2/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Sistemas a Eventos Discretos

  • Processos não são governados pela variação de variáveis contínuas, mas por eventos– alterações instantâneas, sem estados intermediários

  • Um Autômato Finito Determinístico é formalmente definido pela quíntupla G = (X, Σ, f, x0, Xm), onde:

    • X: conjunto finito de estados

    • Σ: conjunto de eventos (alfabeto)

    • f : X, Σ → X função de transição

    • x0: estado inicial

    • Xm: conjunto de estados finais (marcados)

Conceitos Básicos3/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Autômatos Temporizados

  • Autômatos temporizados são uma extensão de máquinas de estados finitos com variáveis de tempo (timers) e variáveis discretas limitadas

    • Guard (condição)

    • Update (atualização)

    • Sync (canal de sincronização)

Conceitos Básicos4/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Verificação

  • Uso de técnicas matemáticas para provar que uma propriedade é satisfeita ou não, procurando por sequências de eventos que possam violá-la

correções

descrição operacional

Contra exemplo

SISTEMA

Modelagem

Não

VERIFICAÇÃO

especificações

Propriedades esperadas

Propriedade satisfeita

Sim

Conceitos Básicos5/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Objetivos

  • Coordenação da atividade de movimentação de múltiplos robôs dentro de um espaço delimitado e com obstáculos;

    • Desenvolvimento de um coordenador que forneça uma lista de instruções a serem executadas pelos robôs para alcançarem a posição desejada, evitando obstáculos e sincronizando seus movimentos com outros robôs

Introdução6/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Método

  • Modelagem do sistema multi-robôs como sistema a eventos discretos;

  • Verificação intencional de propriedades de alcançabilidade;

  • Geração de um contra-exemplo com a lista de instruções a serem executadas pelos robôs

Introdução7/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Especificações

  • Múltiplos robôs, área limitada e obstáculos;

  • Robôs devem respeitar os limites do cenário, evitar colisões com obstáculos e entre eles;

  • Área de trabalho dividida em células:

    • Células podem estar livres, ocupadas por

    • um robô ou obstáculo

  • Robôs podem executar três tipos de movimentos:

    • Rotação 90o para direita e esquerda

    • Movimento para frente

3

1

2

Introdução8/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Modelagem

2

1

Modelagem9/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Modelagem

start

Initialization

start

Robot

Controller

Moving Forward

Rotating Left

Rotating Right

rotateRight

rotateLeft

mForward

light

encode

encode

Light sensor

Encoder

Modelagem10/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Inicialização

Quando todos os ID’s são encontrados é enviado um sinal broadcast start!

Procura pelo ID dos robôs em cada linha e coluna

Quando um ID é encontrado suas respectivas coordenadas são atualizadas

Modelagem11/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Controle

Espera pelo sinal broadcast start?

Antes de enviar mForward! o Controlador verifica se a próxima célula está livre e se o robô não sairá do cenário.

Pode enviar rotateLeft! E rotateRight! livremente

Modelagem12/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Robô

light?: Libera a célula anterior

encode?: Atualiza a orientação do robô

mForward?: Atualiza a próxima célula e vai para o lugar Moving

rotateLeft? ou rotateRight?: Vai para o lugar Rotating

Modelagem13/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Sensores

Light sensor: envia light!

Encoder: envia encode!

Modelagem14/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Geração de Trace

  • Verificação de fórmulas de alcançabilidade e a geração de contra-exemplos (shortest trace)

  • Filtragem das transições sincronizadas entre controlador e robôs

  • FÓRMULA:

    • A[] not (x[0]==2 and y[0]==3)

  • Control.Idle->Control.Idle { 1, rotateLeft[0]!, 1}

  • Control.Idle->Control.Idle { 1, rotateLeft[0]!, 1}

  • Control.Idle->Control.Idle { 1, mForward[0]!, 1}

  • Control.Idle->Control.Idle { 1, rotateRight[0]!, 1}

  • Control.Idle->Control.Idle { 1, mForward[0]!, 1 }

Implementação15/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Arquitetura

Trace generator

Trace executor

Trace

Execution confirmation

Instructions

Operational control

Environment

Information

Sensors

Information

Commands

Robot

Sensors

Motors

Implementação16/31


Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

Implementação

  • Interface para entrada de valores para posição inicial do robô, orientação e obstáculos

    • Essa informação é gravada no arquivo “xml” que contém o modelo do sistema

  • Posição objetivo do robô

    • Gravada no arquivo “q” que contem a fórmula a ser verificada

  • Acesso ao verificador para cálculo do menor contra-exemplo

  • Envio do trace calculado através de serial Bluetooth

  • Implementação17/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Implementação

    Posição inicial

    Obstáculos

    Posição final

    Orientação inicial

    Trace calculado

    Implementação18/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Expansão do método - Objetivos

    • Modelagem do sistema com a linguagem FIACRE

    • Avaliação da possibilidade de execução de ações simultaneamente, por diferentes robôs – aumento da eficiência do sistema

    • Avaliação da complexidade dos modelos gerados

    • Proposta de um método para redução da complexidade

    Expansão do Método19/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Modelo Sequencial

    • Portas TurnR, TurnL e GoF

    • Controle responsável por gerenciar a matriz

    • Passagem instantânea entre células

    Expansão do Método20/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Modelo Sequencial

    1

    2

    Expansão do Método21/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Modelo Paralelo

    • Portas TurnR, TurnL, GoF, Release e Wait

    • Estado intermediário de movimentação

    • Instruções enviadas alternadamente para os robôs

    Expansão do Método22/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Modelo Paralelo

    1

    2

    Expansão do Método23/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Complexidade

    Expansão do Método24/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Método para redução de complexidade

    • Desenvolvimento de um método com baixa complexidade e que mantenha o paralelismo no trace gerado

      • Cálculo de um trace sequencial através do modelo de baixa complexidade

      • Algoritmo que avalia quais instruções podem ser executadas simultaneamente

    Redução de complexidade25/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Método para redução de complexidade

    Redução de complexidade26/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Método para redução de complexidade

    1

    2

    Redução de complexidade27/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Método para redução de complexidade

    Redução de complexidade28/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Método para redução de complexidade

    Redução de complexidade29/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Conclusão

    • Aumentando a eficiência na geração do trace aumenta-se também o grau de complexidade do modelo

    • Modelo que gera trace com paralelismo não é flexível e é impraticável sua aplicação para sistemas com elevado número de robôs ou células

    • Método para redução de complexidade apresentou um bom resultado, gerando um trace com paralelismo e com um grau de complexidade muito menor

    Conclusão e Perspectivas30/31


    Utiliza o de t cnicas de verifica o formal para a coordena o de sistemas multi rob s

    Perspectivas

    • Utilização de obstáculos dinâmicos no sistema – portas

    • Abordagem através da Teoria de Controle Supervisório

    • Abordagem através de Autômatos Jogos Temporizados

    Conclusão e Perspectivas31/31


    Obrigado

    Obrigado!

    Victor Boeing Ribeiro

    [email protected]


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