Simulace robotického vysavače

Název: Simulace robotického vysavače
Autor: Racj01 (talk) 23:45, 13 June 2021 (CET)
Nástroj: NetLogo
Metoda: Multiagentní

Definice problému

Simulace se bude věnovat simulaci robotického vysavače v různých místnostech domácnosti s různým rozložením. Budou zde vyzkoušeny různé algoritmy pro pohyb v prostoru a pro navigování kolem překážek. Od algoritmů s náhodným pohybem při styku s překážkou, po systematické algoritmy, které budou prostor procházet buď vertikálně nebo horizontálně.

Metoda

Simulace byla prováděna v nástroji NetLogo, jelikož se jednalo o jedinný vhodný nástroj pro tuto simulaci, aby bylo možné vizualizovat pohyb robota v prostředí a vytvářet překážky v daném prostředí.

Model

Model je postaven na simulační ploše o rozměru 50x50 s tím, že velikost robota se rovná právě jednomu poli na ploše. Průběh simulace je měřen podle jednotlivých kroků ("ticks"). Simulační plocha disponuje třemi různými rozloženími co se překážek týče a překážky jsou tvořeny poli s bílou barvou. Standardní povrch je pak tvořen hnědými poli, přičemž po přejezdu robota pole zesvětlají, signalizujíc, že daná pozice byla robotem vysána.

Agenti

Model obsahuje 2 typy agentů.

Robot

Představuje robotický vysavač, je reprezentován černým kolečkem na simulované ploše. Vlastnostmi tohoto agenta jsou:

• rychlost, která je stanndardně nastavena na 1
• typ algoritmu, který agent používá pro porhcázení prostoru
• startovní pozice

Překážky

Představuje překážky, které se nacházjí v prostoru a blokují robota v pohybu. V protoru jsou vyznačeny bílou barvou. Rozložení těchto agentů je dáno parametrem obstacles.

Překážky: Simple

Překážky: Complex

Parametry

Model je vybaven třemi paramtery, které lze měnit přímo z rozhraní simulace, ale uvnitř kódu se nachází několik dalších veličin, které ovlivňují průběh simulace a to například rychlost robota nebo stupeň otočení. Zde se budeme věnovat pouze těmto třem.

• Algorithm je parametr, který určuje chování robota v průběhu simulace. Na výbě jsou 4 možnosti.
  • Randomized je algoritmus, při kterém se robot v prostoru ohybuje zcela náhodně. Robot se náhodně natáčí na pravou či levou stranu a při střetu s překážkou se otočí o 180°.
  • Vertical je algoritmus, při kterém robot prochází prostor po vertikálách, pohybuje se tedy vždy shora dolů a naopak.
  • Horizontal je podobný jako vertical, s tím že v tomto případě se robot pohybuje horizontálně, tedy z leva do prava a naopak.
  • Advanced je poslední typ, u kterého se robot pohybuje vždy vstříc poli, které ještě v současném běhu nenavštívil.

• Obstacles je parametr, který určuje rozložení překážek v prostoru. Je rozdělen do tří úrovní.
  • None znamená, že prostor neobsahuje žádné překážky
  • Simple znamená, že se v prostoru vyskytují 4 překážky v pevně daných pozicích
  • Complex představuje nejtěžší úroveň překážek v modelu. Překážky jsou tvořeny tak, aby bylo obtížnější kolem nich navigovat robota.

• Start je parametr, který určuje startovní pozici robota
  • Corner, robot je umístněn v levém dolnm rohu
  • Center, robot je umístněn
  • Critical, robot je umístněn náhodně v prostoru a v případě třetí úrvně překážek je umístněn na kritické místo u překážky

Další vlastnsti

• Model je nastaven tak, aby simulace zastavila v momentě, kdy robot projede každé možné místo v prosotoru, a to z důvodu měření efektivity
• U algoritmů vertical a horizontal byla přidána funkce, že pokud robot v jistém intervalu neprojede nové pole, změní se algoritmus na randomized. Důvodem je to, že tyto algoritmy samotné nejsou schopné projít celý prostor s přeakážkami třetí úrovně.

Výsledky

Pro vyhodnocení modelu bylo jako metrika použito množství kroků (ticks) potřebné pro vyčistění všech dostupných polí v prostoru. Jelikož se některé algoritmy pohybují náhodně, bylo pro každou kombinaci parametrů provedeno 10 simulací a následně se použil jejich průměr. Níže jsou uvedeny tabulky pro jednotlivé obtížnosti prostoru.

Prostor bez překážek

Algoritmus	Start - corner	Start - center	Start - critical
Vertical	2499	3674	8027
Horizontal	2499	3674	13624
Randomized	32162	35832	36053
Advanced	9900	9749	9865

Prostor s jednoduchými překážkami

Algoritmus	Start - corner	Start - center	Start - critical
Vertical	4450	4246	4594
Horizontal	4450	4246	4598
Randomized	33756	40232	38393
Advanced	10031	9792	9733

Prostor s nejtěžšími překážkami

Algoritmus	Start - corner	Start - center	Start - critical
Vertical	37360	42190	38394
Horizontal	21348	36350	24200
Randomized	34693	36541	40984
Advanced	11875	13278	12730

V tabulkách si můžeme všimnout vlivů startovní pozice, překážek v prostředí a zvoleného algoritmu na rychlost vyčištění prostoru. Čísla v tabulkách představují průměrný počet potřebných kroků na projetí celého prostoru.

Závěr

Cílem simulace bylo porovnat efektivitu jednotlivých algoritmů a zjistit jaká pozice v prostoru je ideální pro startovní stanici. Z výsledků simulace uvedených v tabulkách můžeme vyvodit několik závěrů. Za prvé můžeme z výsledků vidět, že Vertical a Horizontal algoritmy dosahují velmi podobných výsledků či v některých situacích dokonce totožných. A pro oba tyto algoritmy platí, že u nejtěžších překážek došlo k prudkému nárůstu potřebných kroků, což je z části způsobeno tím, že se zde musel použít i algoritmus Randomized, jelikož se původní algoritmus nebyl schopen se dostat do jistých míst. Dále lze z dat vyčíst, že algoritmus Randomized je jednoznačně nejhorší možností, jelikož pouze ve 2 kombinacích neměl nejhorší výsledek. Jako nejlepší volba se tedy jeví algoritmus Advanced, a to i přesto, že v prvních dvou úrovních překážek nebyl nejlepší. Výhodou je zejména to, že narozdíl od ostatních algoritmů se počet potřebných kroků s rostoucí náročností překážek zvyšoval podstatně pomaleji. Co se týče pozice startovní stanice, nelze z dostupných výsledků jasně určit optimální umístnění.

Kód

Zdrojový kód:Media:Racj01 simulace.nlogo