Simulace robotického vysavače
Název: Simulace robotického vysavače
Autor: Racj01 (talk) 23:45, 13 June 2021 (CET)
Nástroj: NetLogo
Metoda: Multiagentní
Contents
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.
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.
| Algoritmus | Start - corner | Start - center | Start - critical |
|---|---|---|---|
| Vertical | 2499 | 3674 | 8027 |
| Horizontal | 2499 | 3674 | 13624 |
| Randomized | 32162 | 35832 | 36053 |
| Advanced | 9900 | 9749 | 9865 |
| Algoritmus | Start - corner | Start - center | Start - critical |
|---|---|---|---|
| Vertical | 4450 | 4246 | 4594 |
| Horizontal | 4450 | 4246 | 4598 |
| Randomized | 33756 | 40232 | 38393 |
| Advanced | 10031 | 9792 | 9733 |
| 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 zjisti jaká pozice v prostoru je ideální pro startovní stanici. Z výsledků simulace uvedených v tabulkách můžeme vyvodit několikk 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 půvvodní algoritmus nebyl schopen dostat do jistých míst. Dále lze z dat vyčíst, že algoritmus Randomized je jednoznačně nejhorší možností, jelikož pouze ve 2 kombinacích nneměl 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 zvyšovval podstatně pomaleji. Co se týče pozice startovní stanice, nelze z dostupných výsledků jasně určit optimální umístnění.
Kód
Zdrojový kód:Media:Racj01 simulace.nlogo
