Nesta tese, o problema de navegação e mapeamento é definido como um processo para construir, concorrentemente, um mapa cognitivo – uma representação do ambiente – e usá-lo no suporte a auto-localização e navegação pró-ativa. Em essência, um agente robótico é inserido em um ambiente confinado e inicialmente desconhecido. O agente extrai informações sobre o ambiente a partir dos dados capturados por seus sistemas sensoriais, identificando espaços abertos (regiões livres de obstáculos), obstáculos e outras características. Enquanto navega, o agente identifica singularidades que lhe permitam reconhecer o local corrente
“lugar” quando revisitado e constrói um mapa incremental desses lugares e suas interconexões. Ainda durante a fase de construção do mapa, o agente usa o estado atual do mapa para localizar-se e orientar-se, buscando a efetivação de comportamentos de navegação e exploração pró-ativa.
1.3 Objetivos
Nesta tese o tema central é a proposição de um modelo conceitual bio-inspirado que comporte os principais componentes estruturais (hieraquia, modularidade e interdependência) observados nos processos cognitivos desenvolvidos por seres vivos. Tal modelo deve suportar a modelagem e o desenvolvimento de processos cognitivos artificiais capazes de produzir comportamentos úteis à navegação e exploração de ambientes por agentes robóticos autônomos. Esta tese tem, portanto, como principais objetivos:
1. Propor um modelo cognitivo biologicamente inspirado e computacionalmente viável.
2. Propor e aplicar modelos de redes neurais para representar a configuração do layout de um ambiente na forma de um aramado representando as superfícies que delimitam o ambiente.
3. Propor e empregar modelos de redes neurais para produzir um sistema capaz de aprender, por tentativa e erro, habilidades de locomoção segura, com a meta de evitar situações de risco, tais como colisão ou queda.
4. Propor e empregar modelos de redes neurais para produzir um mapa cognitivo capaz de subsidiar ações pró-ativas de exploração e navegação, e de oferecer suporte à auto- localização a partir das informações provenientes do sistema sensor contrapostas àquelas representadas no mapa.
5. Utilizar a representação interna e habilidades de navegação aprendidas em (3) para o planejamento e execução de navegação entre posições não adjacentes.
Os objetivos listados acima são considerados em termos de um sistema capaz de prover o agente com a capacidade cognitiva de produzir uma representação interna do ambiente e posteriormente planejar ações de navegação com base nessa representação. Tal sistema é, obviamente, dependente das capacidades perceptivas do agente, as quais são extremamente restritas se comparadas com as do ser humano. O foco principal é o
desenvolvimento de substratos neurais artificiais, onde o aprendizado ocorre com o estabelecimento de associações entre percepções do agente. O detalhamento a seguir considera o desenvolvimento de um sistema cognitivo completo, o qual é parcialmente tratado nesta tese.
1.3.1 Detalhamento dos Objetivos
O primeiro objetivo remete à proposição de um modelo cognitivo de suporte à modelagem e implementação computacional de processos cognitivos artificiais. Tal modelo deve comportar o assentamento das características físicas, estruturais e de processamento observadas nos processos cognitivos desenvolvidos por seres vivos.
O segundo objetivo consiste em, a partir das leituras dos sensores de varredura laser acoplados ao agente, produzir um aramado que represente as superfícies encontradas no ambiente. O modelo deve estar apto a representar superfícies contínuas e descontinuas gerando para tal uma ou mais malhas de triângulos.
O terceiro objetivo consiste em desenvolver um método para dotar o agente da capacidade de aprender os movimentos plausíveis de execução em função das percepções capturadas a partir da posição atual. A aquisição dessa habilidade demanda a distinção entre movimentos viáveis e inviáveis ou potencialmente perigosos a partir das percepções atuais contrapostas às percepções e experiências passadas (Zeng & Weng, 2004). Assim, o agente deve ter a capacidade de corrigir a direção de seu movimento em função das leituras atuais do sistema sensor. A seleção do movimento a ser executado depende dos objetivos a serem alcançados e faz parte do módulo de navegação. Nesse contexto, o agente faz uso de uma rede neural para associar percepções a comandos motores factíveis e sinalizar um julgamento de valor.
O quarto objetivo engloba a pesquisa de métodos para processamento, codificação e representação de leituras sensoriais de modo a compor percepções locais do ambiente. O mapa a ser produzido deve atuar como uma memória de percepções e suas associações. Percepções sensoriais, associadas por relações de vizinhança, determinam o posicionamento do agente no ambiente. O reconhecimento de um conjunto de percepções localiza o agente na representação e produz uma estimativa de sua localização no ambiente real. A associação entre a representação interna e a topologia do ambiente permite ao agente se orientar e planejar ações de navegação. Alcançar este objetivo engloba: i) o desenvolvimento da
estrutura de representação do ambiente; ii) os métodos necessários para estimar a localização e orientação do agente no ambiente; iii) os mecanismos para planejar ações de navegação.
O quinto objetivo compreende o desenvolvimento de métodos para o planejamento e execução de navegação entre posições não adjacentes e consiste em utilizar a representação interna para planejar e posteriormente executar a navegação entre duas posições contidas na representação do ambiente conhecido. O planejamento compreende a elaboração de uma ou mais rotas entre uma posição inicial e uma posição de destino passando, exclusivamente, por posições já incluídas na representação.
De forma resumida, o modelo cognitivo do agente robótico deve apresentar as seguintes capacidades ou competências:
x Percepção – reconhecer, nos fluxos sensoriais, elementos úteis à auto-localização, navegação e exploração.
x Representação de percepções – codificar, armazenar e indexar características ou especificidades perceptíveis no ambiente, de modo que sejam prontamente recuperáveis e comparáveis.
x Mapeamento – associar percepções a lugares e estes entre si, produzindo uma estrutura representativa, coerente e acessível do ambiente conhecido.
x Auto-localização – identificar sua posição atual no ambiente considerando suas percepções atuais e outras de um momento passado, porém extremamente similares e constantes de seu mapa cognitivo.
x Orientação – identificar as disposições relativas dos elementos em sua vizinhança a partir de seu mapa cognitivo, prevendo e distinguindo o que está a sua frente bem como em outras direções.
x Navegação – locomover-se pelo ambiente de forma orientada e determinada em função de seus objetivos, desviando de obstáculos e situações que ameacem sua integridade física.
x Inferência – interpretar seu mapa cognitivo inferindo caminhos entre localidades distintas.
x Extrapolação – analisar seu mapa cognitivo e produzir inferências sobre caminhos entre localidades conhecidas, através de espaços ainda não explorados. Produzir inferências sobre a existência e acessibilidade de localidades no espaço além dos limites daquele representado em seu mapa cognitivo.
x Reprodução – produzir representações do layout do ambiente em uma formatação plausível ao ser humano, com informações relativamente consistentes sobre localização, dimensão e volume dos seus elementos constituintes.