NEUMANN JÁNOS INFORMATIKAI FŐISKOLAI

Átírás

1 NEUMANN JÁNOS INFORMATIKAI FŐISKOLAI KAR SZAKDOLGOZAT BMF-NIK 2005 BODOR LÁSZLÓ NIK-O-NI

2 HALLGATÓI NYILATKOZAT Alulírott szigorló hallgató kijelentem, hogy a szakdolgozat saját munkám eredménye. A felhasznált szakirodalmat és eszközöket azonosíthatóan közöltem. Egyéb jelentősebb segítséget nem vettem igénybe. Az elkészült szakdolgozatban talált eredményeket a főiskola, a feladatot kiíró intézmény saját céljaira térítés nélkül felhasználhatja. Budapest, hallgató aláírása

3 Absztrakt A dolgozat részletesen tárgyalja a Sony AIBO négylábú robotját, és az azokkal, a RoboCup keretében történő robotfutball bajnokságokat. Ismerteti egy robotfutball szoftver lehetséges implementálási lehetőségeit, és bemutat egy, a szerző által tervezett, egyszerűsített robotfutball rendszert. Kifejti a robot mozgásáért felelős alrendszer implementálását. Abstract This thesis presents the Sony Corporation's four legged robot, called AIBO, and the RoboCup robot soccer games. It explains the possibilities of implementing a robot soccer software, and describes the design of a primitive version of such a software. Based on the designs it details the implementation of the motion subsystem.

4 Tartalomjegyzék 1. BEVEZETÉS CÉLOK IRODALOMKUTATÁS AZ AIBO ROBOTKUTYA Az AIBO rövid története Az ERS-210A ismertetése Felépítés és kinézet A központi részegység A feji részegység A láb részegység A farok részegység AIBO fejlesztőkörnyezetek RCODE SDK és az RCODEPlus OPEN-R SDK Tekkotsu ROBOCUP A RoboCup és a ligák Sony négylábú robot liga EGY ROBOTFUTBALL SZOFTVER MEGVALÓSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI Bevezetés Látás alternatívái Mozgás alternatívái Helymeghatározás alternatívái RENDSZERTERV MOZGÁS LÁTÁS Szegmentálás Összefüggő régiók képzése Régióegyesítés Objektum felismerés Távolság meghatározás LOKALIZÁCIÓ KOMMUNIKÁCIÓ VISELKEDÉS MEGVALÓSÍTÁS FELHASZNÁLT ESZKÖZÖK Hardver Fejlesztő környezet FEJLESZTÉS AZ OPEN-R SDK-VAL A MOZGÁS ALRENDSZER A mozgások létrehozása A MTN fájl formátum Skitter A getpose segédprogram A c2mtn átalakító segédprogram A mtntool segédprogram Létrehozott mozgások A mozgások lejátszása EREDMÉNYEK ÁBRAJEGYZÉK IRODALOMJEGYZÉK... 38

5 1. Bevezetés By mid-21st century, a team of fully autonomous humanoid robot soccer players shall win the soccer game, comply with the official rule of the FIFA, against the winner of the most recent World Cup. (RoboCup Initiative, The Dream) A mesterséges intelligencia és a számítógépek fejlődése az utóbbi néhány évben több látványos eredményt is produkált. Az egyik legkiemelkedőbb talán az, hogy 1997 májusában, az IBM Deep Blue legyőzte a sakkvilágbajnok Garry Kasparovot. Sokan gondolhatták úgy, hogy ilyesmi nem fog előfordulni, mégis az informatika fejlődése lehetővé tette ezt. Az 1993-ban bejelentett és 1997-ben először megtartott robotfutball világkupa és konferencia (Robot World Cup Soccer Games and Conferences), vagy röviden csak RoboCup, a fenti eredménynél nem kisebb célt tűzött ki: 2050-ig egy autonóm, humanoid robotokból álló csapat, győzze le a legutóbbi világbajnok futballcsapatot, a FIFA hivatalos szabályzatát betartva. A RoboCup létrehozóinak az volt a célja, hogy a kezdeményezéssel ösztönözzék a mesterséges intelligencia és robotikai kutatásokat. Továbbá, hogy egy komplex, de szabványosított problémát adjanak a kutatóknak, amely segítségével mérhető a kutatások előrehaladása. Bár ezen ugyancsak ambiciózus cél elérése semmilyen közvetlen hasznot nem hozna az emberiség számára, mégis mérföldkőnek számítana a mesterséges intelligencia és robotika kutatások történetében, és a probléma megoldásához kifejlesztett technikák minden bizonnyal különböző iparágakban kitűnően hasznosíthatóak lennének. A RoboCup játékokat és konferenciákat 1997 óta minden évben megtartják, igen nagy sikerrel. Csak az elsőn több mint 40 csapat és 5000 látogató vett részt. A játékokon melyek több kategóriában, ligákban zajlanak a különböző robotcsapatok egymás ellen játszanak mérkőzéseket. A mérkőzések eredményei alapján állítanak fel egy sorrendet a résztvevő csapatokról. Minden évben, a mérkőzések lezajlása után közzéteszik a robotokban futó szoftver forráskódját, amely szabadon felhasználható, illetve a konferencián és az Interneten megjelentetik a legújabb kutatási eredményeket. Azzal, hogy minden évben közzéteszik az eredményeket, intenzív kutatásra és fejlesztésre ösztönzik a résztvevőket, mivel így minden csapatnak, amely meg kívánja őrizni, vagy javítani helyezését folyamatosan fejlesztenie, javítania kell a szoftverén. A RoboCup egyik ligája a Sony Four Legged Robot League. Ebben a ligában a Sony által eredetileg szórakoztatási célokra kifejlesztett, AIBO nevű robotkutyákkal lehet részt venni. Ezen robotok alkalmasak arra, hogy elfogadható áron biztosítsanak egy kész hardverrel és fejlesztőkörnyezettel rendelkező platformot robotikai kutatásra és oktatásra, s emiatt a világon a különböző egyetemek mesterséges intelligencia laborjaiban igen elterjedtek. A szakdolgozat célja az AIBO robotplatformon, a RoboCup apropóján, ahhoz hasonló szabályokkal, de ahhoz nem szigorúan ragaszkodva, a robotfutball témakörének körbejárása, megismerése és néhány olyan szoftverkomponens kifejlesztése, amely a robotfutballhoz szükséges alapvető funkcionalitást biztosítja. 1

6 2. Célok Egy, a nemzetközi RoboCup versenyeken használt színvonalú, AIBO robotfutball szoftver kifejlesztése a robotika több kutatási ágának integrálását, igen sok időt és szerteágazó szaktudást igényel. Ezeket a szoftvereket, gyakran több évnyi tapasztalat és fejlesztés segítségével, több fős csapatok hozták létre. Emiatt egyetlen szakdolgozatnak a szerző véleménye szerint nem lehet célja egy teljes rendszer megalkotása. Ezért először mindenképpen egy egyszerűsített rendszer megalkotását kell célul kitűzni annak, aki robotfutballal kíván foglalkozni, és aztán a tapasztalatok birtokában lehet a szoftvert továbbfejleszteni. Ezen szakdolgozat célja, hogy egy leendő robotfutball szoftver kifejlesztését megalapozza, amit egy egyszerűsített rendszer megtervezésével, és részbeni implementálásával kíván elérni. Ezen egyszerűsített rendszer célszerű, ha egy teljes, működő egészt alkot, ugyanakkor csak a legszükségesebb funkciókat tartalmazza. Amit a rendszernek minimálisan tudnia kell, hogy még használható maradjon a következők: - a robot képes legyen megállapítani saját és a labda pozícióját a pálya koordináta rendszerében - a pályán a robot adott pozícióba tudjon menni - a robot képes legyen a labdát megkeresni - legyen képes a mozgó labda követésére, utolérésére - kapusként tudjon viselkedni, és képes legyen a kapu fele guruló labda kivédése - csatárként is tudjon viselkedni, és legyen képes gólt rúgni A fentiek elmondhatók bármely robotfutball szoftverről, ezért ami kimaradt a felsorolásból talán még fontosabb. A magas szintű viselkedés, a stratégia, és a robotok közti kooperáció az, ami egy teljes implementáció esetén még szerepelne a listában. Ugyanakkor az is fontos szempont, hogy mennyire jól, mennyire hatékonyan valósítja meg egy rendszer a fenti funkciókat. Tehát a javasolt, egyszerűsített rendszer, egy teljes rendszertől alapvetően két fontos szempontban különbözik: a listában felsoroltakat csak minimális hatékonysággal tudja véghezvinni, és nem képes csapatjátékra, gondolkodásra, a játék előrelátására, stratégiák végrehajtására. Az első szempont az egyszerűsítés szükségszerű következménye. A stratégia és csapatjáték kihagyásának oka pedig, hogy azok viszonylag jól kutathatók szimuláció segítségével, ahogy ezt meg is teszik a RoboCup szimulációs ligában. A fenti listában megfogalmazott követelményeket alaposabban kifejtve, a rendszernek a következő funkciókkal kell rendelkeznie: - a látott objektumok felismerése, a háttértől és a többi objektumtól való megkülönböztetése - a látott objektumok távolságának meghatározása - a labda, a kapuk és a jelzőoszlopok pozíciójának meghatározása a robothoz képest - a robot pozíciójának meghatározása a pályán - a robot haladási irányának meghatározása - a robot képes legyen előre, hátra mozogni, fordulni, a kamerát adott irányba fordítani - képest legyen egy látott objektumot követni a kamerával 2

7 - rúgások végrehajtása - mozgás során a robot elmozdulásának megbecslése a kamera alkalmazása nélkül (odometria) - robot pózának meghatározása az izületek szöge alapján - kamera irányának és pozíciójának meghatározása a robothoz rögzített koordináta rendszerben - a robot és a labda pozíciójának továbbítása a PC felé Összefoglalva tehát, a szakdolgozat a fent említett tulajdonságokkal bíró, egyszerűsített AIBO robotfutball szoftver megtervezését, és annak egy lehetőleg minél nagyobb részének implementálását tűzte ki célul. 3

8 3. Irodalomkutatás 3.1. Az AIBO robotkutya Az AIBO rövid története A Sony által fejlesztett AIBO robotkutya története egészen 1992-ig nyúlik vissza. A Sony kutatói ekkor kezdtek el foglalkozni azzal az ötlettel, hogy az emberek szórakoztatására autonóm, mobil robotokat fejlesszenek ki [1]. Erre a számítógépek teljesítményének növekedése és a mesterséges intelligencia fejlődése ösztönözte őket. Különösképp az érzelmek megértése és kifejezése terén elért eredmények voltak nagy hatással rájuk ábra Az AIBO korai prototípusainak egyike A tudományos közösség 1997-ben értesült a fejlesztésekről, amikor is megjelent Masahiro Fujita és Koji Kageyama, a Sony két kutatójának cikke [2] az OPEN-R architektúráról. Ebben az emberek szórakoztatására szánt, még fejlesztés alatt álló, ugyanakkor a közeljövőben piacra dobandó robotok számára egy nyílt szabványt ajánlanak. A Sony a cikk megjelenésekor már javában dolgozott egy ilyen roboton, mely segítségével a szórakoztató iparágban kívántak egy újabb piacot nyitni és meghódítani: a szórakoztatási célú robotika piacát. Nem sokkal később, 1998-ban megjelent egy újabb cikk a Sony kutatóitól, amiben egy MUTANT nevű robot, a AIBO elődjének részletes ismertetése [3] található. Ebben már világosan körvonalazódik a leendő AIBO felépítése, részegységei. A robot szoftveréről és a fejlesztő környezetről is szó esik a cikkben, azonban az ekkor megfogalmazottaknak csak egy része válik valóra a későbbiekben. Még 1998-ban a Sony egy sajtótájékoztató keretében bejelentette a nagyközönség számára az OPEN-R architektúrát és az AIBO legújabb prototípusát. 3.2.a. ábra MUTANT 3.2.b. ábra AIBO prototípus 4

9 A kész termék végül 1999 elején jelent meg. A Sony az AIBO nevet adta neki, amely japánul társat jelent, angolul pedig az Artificial Intelligence Robot rövidítése. Kódneve ERS-110-es volt. A korlátozott darabszámú, 3000-es készlet Japánban 20 perc alatt kelt el az Interneten, az Egyesült Államokba szánt 2000 darab pedig néhány napon belül. A hatalmas érdeklődés hatására 1999 végén a Sony megjelentette az ERS-111 kódnevű robotot, melyből darab állt rendelkezésre, immáron az európaiak számára is. Az ERS-111-es nem különbözött jelentősen az ERS-110-estől, néhány apróbb változtatást eszközöltek a robot külsejében és a továbbfejlesztették a robot szoftverét is. A ERS-110 és ERS-111 (továbbiakban: ERS-11x) főbb jellemzői a következők: 1db 64bites, 50Mhz-es RISC processzor, 16MB központi memória, 18 szabadságfokú robottest, melyből a fej 3 szabadságfokú, míg a lábak egyenként szintén 3 szabadságfokúak, a fejbe beépített színes kamera, sztereo mikrofon és hangszóró és számos egyéb szenzor a törzsben, kb. 1.5 órányi működést garantáló újratölthető akkumulátor és egy 8Mb kapacitású cserélhető memóriakártya, mely a robot programkódjának és a működéséhez szükséges adatok egy részét tartalmazza ábra Az ERS-110-es, az első AIBO és egyben az első kereskedelemben kapható szórakoztató célú robot Mivel a Sony robotjai iránti érdeklődés továbbra is jócskán kitartott, ezért a Sony immáron korlátlan példányszámban kínálta a robotjait, és megkezdődött a következő generációs AIBO kifejlesztése is. Az AIBO-k második generációja 2000-ben jelent meg. Az ERS-210-es kódnevet kapta. Gyorsabb processzort és nagyobb központi memóriát kapott, mint elődje, továbbá memóriakártyájának kapacitását is bővítették. Külsejét is jelentősen megváltoztatták, és két további mozgatható izülettel bővítették. Szintén jelentős változtatás, hogy ellátták egy (opcionális) vezeték nélküli hálózati kártyával. Ennek segítségével képessé vált nagysebességű, de ugyanakkor mindenfelé helyhez kötöttség nélküli kommunikációra, bármely ugyanazon WiFi szabványt használó hálózati eszközzel. Így képes kommunikálni PC-kkel, más AIBO-kkal, vagy akár az Interneten keresztül bármely más számítógéppel. Szoftverén is jelentősen fejlesztettek. Hang és arcfelismerő programmal látták el, továbbá képessé tették rá, hogy automatikusan felismerje a töltő állomását, és csatlakozzon hozzá. A második generációs AIBO-kból több változat is készült ben jelent meg az ERS-311-es és az ERS-312-es, melyek alapvetően más külsőt kaptak, mint az eddigi AIBO vonal. Alapvető cél, egy szerethetőbb és kedvesebb külső megalkotása, mellyel valószínűleg inkább a gyerekeket kívánták megcélozni, mint potenciális vásárlókat. Hardver tekintetében szinte teljesen megegyeznek az ERS-210-essel. Más szoftvert használnak, mint az ERS-210-es, de a szoftverük nem kínál újdonságot, sőt annál valamivel szerényebb képességekkel rendelkezik. Szintén második generációs AIBO az ERS-220-as, mely futurisztikus külsőt kapott, ugyanakkor az ERS-210-essel 5

10 ellentétben, nem rendelkezik mozgatható fülekkel és farokkal. Még megemlítendő az ERS-210A és az ERS-220A, mely a hasonló nevű robotok kétszer gyorsabb processzorral ellátott változatát takarják. 3.4.a. ábra ERS b. ábra ERS-311 és ERS c. ábra ERS-220 A Sony tovább folytatta az AIBO-k fejlesztését, és 2003-ban megjelentette a harmadik generációs ERS-7-est. Az ERS-7-es már 576Mhz-es MIPS R7000-es processzorral, 64Mbyte központi memóriával, 32Mbyteos memóriakártyával és beépített vezeték nélküli hálózati kártyával rendelkezik. Hardverén még további változtatásokat is eszközöltek, így gyorsabb és jobb minőségű szervókkal, nagyobb felbontású kamerával, fejlettebb nyomás és tapintás érzékelőkkel látták el. Minden hozzávaló szoftvert egyetlen kártyára tettek. Rendelkezik a már ERS-210-esben is meglévő összes funkcióval, így a hang és arcfelismeréssel is. Újdonságot jelent a Visual Pattern Recognition technológia, mely segítségével mintákat képes felismerni. Ezen technológiát használva színes mintákat tartalmazó kártyákkal is lehet a robottal kommunikálni, parancsokat adni neki ábra ERS-7, a legújabb generáció 6

11 Az ERS-210A ismertetése Megjegyzés: A szakdolgozat készítése során a szerző rendelkezésére állt egy darab Sony AIBO ERS- 210A típusú robot. A szakdolgozat ezért elsősorban erre a típusra vonatkozik Felépítés és kinézet Az ERS-210-es mérete 152x289x288mm. Kinézete az alábbi ábrákon látható. 3.6.a. ábra 3.6.b. ábra 3.6.c. ábra ERS-210A oldalról ERS-210A szemből ERS-210A felülről (műszaki rajz) (műszaki rajz) (műszaki rajz) Az ERS-210-es egy moduláris felépítésű robot, az OPEN-R architektúrának megfelelően. A központi egységhez csatlakoznak a különböző részegységek, melyek a központi egységgel egy szabványosított buszon, az ún. OPEN-R buszon keresztül kommunikálnak. A részegységek a következők: feji részegység, farok részegység, 4 db. láb részegység ábra ERS-210A központi egysége és a hozzá kapcsolódó részegységek Megemlítendő, hogy elvileg van lehetőség más, nem az ERS-210A-hoz gyártott részegség csatlakoztatására is, amennyiben az OPEN-R szabványnak megfelel és 7

12 mechanikailag illeszkedik. A gyakorlatban azonban ez általában nem kivitelezhető, mivel szükséges hozzá a robot szoftverének módosítása, ami viszont csak a Sony mérnökei számára hozzáférhető. Minden részegység több komponenst is tartalmazhat és az ERS-210A esetén tartalmaznak is. Továbbá minden részegységben található egy memória egység, amiben el vannak tárolva a részegység legfontosabb adatai. Ebben kerültek eltárolásra a részegység komponenseinek azonosításához és megcímzéséhez szükséges adatok, a részegység mechanikai tulajdonságai (tömege, tehetetlenségi nyomatéka, tömegközéppontja, alakja), a komponensek által biztosított funkciók és esetenként más adatok is [2] A központi részegység A központi részegység tulajdonképpen az AIBO lelke és elméje egyben. Itt történik az észlelt adatok feldolgozása, és az azokra adott válaszok előállítása. Minden fontosabb dolog itt helyezkedik el, a részegységekben csupán a szenzorok és beavatkozó szervek (aktuátorok) találhatók. A következő dolgok találhatók az egységben: központi processzor és az áramellátást vezérlő mikrokontroller a központi memória egyes szenzorok (vibráció érzékelő szenzor, hőmérséklet szenzor, gyorsulásmérő szenzorok) memória kártya (Memory Stick) bővítő hely PCMCIA bővítő hely, a vezeték nélküli hálózati kártya számára a PAUSE gomb (a ki/be kapcsoló gombnak felel meg) hangszóró (buzzer), mely az áramellátást vezérlő mikrokontrollerhez csatlakozik lítium akkumulátor LCD kijelző és a hozzá tartozó kezelő szervek valós idejű óra OPEN-R busz vezérlő és csatlakozások tápcsatlakozó 3.8.a. ábra 3.8.b. ábra 3.8.c. ábra A központi egység A központi egység A központi egység elől nézetből oldal nézetből hátul és alul nézetből 8

13 A feji részegység A feji részegységen található a legtöbb komponens, és a legfontosabb szenzorok is itt találhatók. A feji részegységen található szenzorok a következők: színes CMOS kamera (felbontása: 352x288 pixel, sebessége: 25 FPS) infravörös fénnyel működő távolságérzékelő szenzor sztereo mikrofon 2 nyomásérzékelő szenzor kétállapotú kapcsoló A feji részegységen található aktuátorok és kimenetek: 7 LED 7 izület hangszóró A 7 izület a következő konfigurációban található: egy izület a száj mozgatására 1-1 izület a fülek mozgatására 3 izület a fej 3 tengely mentén történő mozgatásához 3.9. ábra ábra A feji részegység Feji részegség izületeinek szélső helyzetei (mértékegység: fok) A ábrán láthatók, hogy az izületek milyen határok között mozgathatók. A füleket mozgató izületek csupán két állapotúak (normál és lehajtott állapot) A láb részegység A láb részegységek elsődleges feladata az AIBO mozgatása. Ugyanakkor a Sony véleménye szerint számos ember örömét leli különböző állatok mozgásának megfigyelésében [3]. Emiatt a Sony szoftvere a lábakat gyakran felhasználja a robot érzelmeinek kifejezésére, illetve számos mutatvány bemutatására. A fentiek miatt is volt fontos szempont a Sony számára, hogy lábak sok szabadságfokkal rendelkezzenek, és így a mozgások széles körét képes legyen produkálni a robot. 9

14 Első pár és a hátsó pár láb különböző alku, és az első és hátsó pár egymásra tükörszimmetrikus. Ugyanakkor ezen különbséget leszámítva teljesen megegyeznek, ezért általánosan lehet beszélni láb részegységről. A minden egyes láb részegység a következő komponenseket tartalmazza: 3 izület 1 kétállapotú kapcsoló A lábak alján található kapcsoló feltehetőleg arról kívánna visszajelzést adni, hogy a láb a földhöz ér e, ugyanakkor a kapcsolók rossz minősége miatt erre nem igazán alkalmas. A 3 izület a láb 3 tengely körüli forgatását szolgálja. A vállnál két tengely menti, a térdnél egy tengely menti mozgatás lehetséges. Megemlítendő, hogy minden izület (ide értve a fejen található izületeket is) alapvetően a következőképpen épül fel: áll egy darab szervo motorból, egy darab potenciométerből és egy PID vezérlőből. A potenciométer szolgál visszacsatolásként a PID vezérlő számára, ami a motort vezérli. A PID vezérlő paraméterei szoftveresen beállíthatók. A PID vezérlőre érkező referencia jel alapján állítja a vezérlő a kívánt szögre az izületet. (Sajnos a PID vezérlő, illetve a kicsit lötyögő izületi csatlakozás miatt egyes izületek remegnek, nem áll be teljesen stabil állapot) ábra ábra A láb részegység A láb részegység izületeinek szélső helyzetei (mértékegység: fok) A farok részegység A farok részegységnek nincs különösebb kardinális feladata. Itt helyezkedik el egy nyomógomb (az AIBO hátán), 2 LED a farokban, illetve két izület, mely a farok két tengely menti mozgatásáért felelős ábra A farok izületeinek szélső helyzetei (mértékegység: fok) 10

15 AIBO fejlesztőkörnyezetek A Sony az AIBO robotkutyájához számos fejlesztőkörnyezet elérhető. A Sony több fejlesztőkörnyezetet (SDE - Software Development Environment) is kifejlesztett és tett elérhetővé [4]. Ezek a következők: OPEN-R SDK RCODE SDK AIBO Remote Framework AIBO Motion Editor Továbbá létezik egy üzleti célú fejlesztő környezet is, mely kizárólag a Sony üzleti partnerei számára érhető el. Neve nem szerepel a Sony honlapján. Bár a Sony az AIBO Motion Editor-t is az SDE-nek hívja, valójában ez egy mozgás szerkesztő és készítő program, mellyel előre felvett mozgásokat hozhatunk létre, amit az AIBO képes visszajátszani. A szakdolgozat ezért sem tárgyalja a Motion Editort, továbbá a Remote Framework-t sem, ugyanis mindkét környezet az ERS-7- hez érhető el csupán. Mások is készítettek az AIBO-hoz fejlesztő környezetet. Ezek közül a legfontosabbak: Tekkotsu (a Carnegie Mellon University fejlesztésében) RCODEPlus ( oldalon elérhető) A Tekkotsu [5] környezet az OPEN-R SDK-ra épül, míg a RCODEPlus [6] az RCODE SDK továbbfejlesztésének tekinthető RCODE SDK és az RCODEPlus Az RCODE egy interpretált szkript nyelv, melyet a Sony alkotott, kifejezetten az AIBO programozására. Kifejezetten egyszerű és könnyen megtanulható. Nem programozók számára alkották, hanem minden AIBO tulajdonos számára. Igen magas szintű parancsokat tartalmaz, az OPEN-R architektúra úgynevezett alkalmazói rétegét (Application Layer) lehet vele elérni és programozni. Az alkalmazói réteg az alatta lévő és a Sony által implementált középszintű (Middleware Layer) és rendszerszintű (System Layer) réteget használja. Amennyiben az alkalmazói réteg által nyújtott szolgáltatások elegendőek, és nem kívánjuk az alacsonyabb rétegeket elérni, vagy esetleg módosítani, bővíteni, akkor az RCODE megfelelő választás. Azonban a Sony által elérhetővé tett alkalmazói réteg általában túl szegényes, és korlátozott kutatási célokra. Továbbá a nyelv interpretált volta miatt a sebessége közel sem lehet olyan nagy, mint egy natív alkalmazásé. Maga az RCODE SDK (Software Development Kit) egy a Sony által biztosított értelmezőből és leírásból áll. Az értelmező programot egy Memory Stick-re kell felmásolni és az AIBO-ba helyezni. A parancsokat és az adatokat vezeték nélküli hálózaton, adott TCP portokon keresztül lehet kiadni és elérni. Az RCODEPlus az RCODE kibővített változata, a hozzátartozó értelmezővel együtt. Az RCODE helyett sokan ezt használják bővebb parancskészlete miatt OPEN-R SDK A Sony 2002-ben tette elérhető, kizárólag nem üzleti célú felhasználásra. Az OPEN-R SDK egy C++ alapú, általános célú, teljes fejlesztő környezet, elsősorban kutatási célokra. Segítségével igen sokféle, és ugyanakkor nagy teljesítményű szoftver 11

16 fejleszthető az AIBO-hoz. Előnye, hogy a Sony biztosítja az operációs rendszert és hardver kezeléséhez szükséges szoftvert, így nem kell a legalacsonyabb, hardver szint programozásával foglalkozni. Emiatt ideális választás robotikai kutatási célokra, hiszen kész hardvert, alacsonyszintű kódot és fejlesztőkörnyezetet kapunk, és így a fejlesztést a robotikai kutatásokra lehet koncentrálni. Az OPEN-R SDK a következőket tartalmazza: GNU C++ fordító és a hozzá tartozó könyvtárak OPEN-R programkönyvtár (library) és fejléc (header) fájlok Remote Processing OPEN-R programkönyvtár, fejléc fájlok és környezet OPEN-R futtató környezet néhány segédprogram mintaprogramok Az SDK a nyílt forráskódú GNU C++ kereszt-fordítót (cross-compiler) és a hozzá tartózó C és C++ standard programkönyvtárakat alkalmazza. A standard programkönyvtárak bizonyos funkciói nem használhatók az AIBO-ban, és egyes funkciók a standardtól eltérően lettek megvalósítva, hogy illeszkedjenek az AIBO operációs rendszeréhez, amely nem POSIX kompatibilis, sőt nem is UNIX szerű. Az SDK tartalmaz néhány segédprogramot is, melyek nem részei a C++ fordítónak. Ezek nagy része a fejlesztéshez nélkülözhetetlen és a fordításban van szerepük. A futtató környezet Memory Stick-re felmásolandó fájlokból áll. Alapvetően az operációs rendszer egy részét, illetve rendszer programokat tartalmazza, melyek szükségesek az OPEN-R SDK által készített programok működéséhez. Az OPEN-R programkönyvtár és fejléc fájlok segítségével lehet elérni az AIBO és a futtató környezet által nyújtott szolgáltatásokat. Ezek a szolgáltatások alapvetően, az RCODE SDK-val ellentétben, az alacsony szintű szolgáltatások közé tartoznak. Egész pontosan az operációs rendszer és a rendszer szint szolgáltatásai érhetők el. A rendszer szolgáltatásai biztosítják a hardver egyszerű elérését és kezelését, de semmi többet nem. A középszintű és alkalmazói réteg szolgáltatásai nem érhetők el. A középszintű réteg egy kicsiny része mintaprogramok formájában rendelkezésre áll. Ide olyan dolgok tartoznak, mint pl. az AIBO izületeinek koordinált mozgatása (lépés), vagy objektumok keresése a kamera képén. Az OPEN-R SDK-val történő fejlesztés legnagyobb nehézsége a fentiek fényében abban áll, hogy ha magasabb szintű funkciók fejlesztésével kívánunk foglalkozni, akkor előtte magunknak kell kifejleszteni a hozzá szükséges középszintű funkciókat. Továbbá az OPEN-R SDK hátránya az is, hogy nem teljesen dokumentált, illetve nem nyitott, mivel a Sony üzleti okokból bizonyos információkat nem tesz elérhetővé. Az OPEN-R nem csak az autonóm szoftverek fejlesztését támogatja, lehetőség van távoli feldolgozásra (Remote Processing) is. Ekkor a programok elosztva futnak az AIBO-n és egy vagy több PC-n. Ezzel a módszerrel a számításigényes programok futhatnak a PC-n, így tehermentesítve az AIBO ugyancsak korlátozott számítási kapacitású processzorát. Az AIBO-n belül futó programok az ún. Inter Process Communication segítségével tudnak egymással kommunikálni. A távoli feldolgozás transzparensen biztosítja ezt a programok közötti kommunikációt, az AIBO és a PC között, a vezeték nélküli hálózat segítségével. Ezáltal úgy tűnik az AIBO számára, mintha a PC-n futó programok is az AIBO-ban futnának. Nagy előnye ennek a módszernek, hogy a program elkészítése után is eldönthető, hogy az AIBO-ban szeretnénk futtatni, vagy a PC-n. Ugyanis ugyanaz a forráskód, módosítás nélkül lefordítható az AIBO-ra és a PC-n futó távoli feldolgozás környezetre is. 12

17 Tekkotsu A Tekkotsu egy, az OPEN-R SDK-ra épülő keretrendszer. Az amerikai Carnegie Mellon egyetemen fejlesztik, és a szintén ott fejlesztett CMPack 02 robotfutball szoftvert nagymértékben felhasználja. Emiatt aztán igen sok szolgáltatást nyújt, a gépi látástól, az állapotdiagram alapú viselkedés leíráson keresztül, a futásidejű (kinematikai) mozgás generálásig. Az OPEN-R SDK-nál jóval magasabb elvonatkoztatási szintű programozást tesz lehetővé. Általános volta miatt számos problémához jól felhasználható, és ha szükséges akár módosítható is, mivel forráskódja nyilvános. Legfőbb hátránya a bonyolultsága. Igen jelentős méretű program, ezért teljes megértése, közel akkora tudást és ismeretet igényel, mint egy hasonló rendszer kifejlesztése. Továbbá, mivel nagymértékben fel és kihasználja a C++ nyelv lehetőségeit, megértéséhez és használatához jelentős szintű C++ ismeret szükséges RoboCup A RoboCup és a ligák Az 1997-ben először megrendezett RoboCup [7] csupán néhány év alatt jelentős sikerre tett szert, és ugyancsak megnövekedett és kibővült. Az első RoboCup során mindösszesen 4 ligában mérhették össze tudásukat a versenyzők, addig 2004-ben már, csak futball keretében 6 liga volt, és a futball ligák mellett további két kategóriában, a RoboCup Rescue-ban (2 ligával) és a RoboCup Junior-ban (1 ligával) lehetett indulni. A RoboCup Rescue kategóriában a különböző mentési feladatokat ellátó robotok és fejlesztőik mérkőzhetnek egymással, mind számítógépen szimulált, mind valós (vagy legalábbis, ahhoz hasonló) környezetben. A RoboCup Junior-t pedig a fiatalabb korosztály számára hozták létre oktatási és ismeretterjesztési céllal, hogy a középiskolások is részt vehessenek és megismerhessék a robotikát és a RoboCup bajnokságokat. Az eredeti futball kategóriában, a RoboCup Soccer-ben, 2004-ben 6 liga volt, de 2005-ben várhatóan csak 5 lesz, és a korábbi egy-két évben is csak 5 volt. Így a legfontosabb ligák a következők: Simulation League, Small Size League, Middle Size League, (Sony) Four Legged (Robot) League, Humanoid League. A szimulációs liga (Simulation League), egy számítógép program, az ún. szimulációs szerver által szimulált környezetből és robotokból, illetve a szerverhez csatlakozó 2 x 11 ágensből áll. Az ágensek egymástól elkülönített környezetben futó, tetszőleges programozási nyelven megírt szoftverek, melyek a játékosokat szimulálják. A szimuláció diszkrét szimulációs lépésekből áll, és minden lépés során, minden ágens kommunikál a szerverrel. Ennek során az ágens megmondja, hogy milyen mozgást kíván végezni és megkapja a szimulált robot szenzorjai által érzékelt adatokat (melyek részlegesek és zajjal terheltek). Az ágenseknek korlátozott mértékben, a szerveren keresztüli, egymással való kommunikációra is lehetőségük van. A szimuláció eredménye folyamatosan nyomon követhető a szerver által biztosított grafikus felületen. Továbbá egy naplófájlba folyamatosan rögzítésre kerülnek a lépések, későbbi analízis céljából. A naplófájlok segítségével lehet tréningezni az ágenseket, különösen akkor, ha azok képesek fejlődésre, tanulás által. A szimulációs liga a hangsúlyt elsősorban a magas szintű viselkedésre, illetve az együttműködésre (multi-agent rendszerekre) helyezi. A robotok hardverének kezelésével nem kell törődni, mivel olyan nincs is, illetve nem kerül szimulálásra. 13

18 A kisméretű ligában (Small Size League, F-180) egy 18 cm átmérőjű és 15 cm magas hengerbe beférő robotok vehetnek részt. A robotok hardvere nincsen meghatározva, minden csapat szabadon fejleszthet a feltételeknek eleget tévő robotokat. A ligában a pálya mérete 3.4 x 4.9 méter. Két robot csapat mérkőzik egymással, mindkét csapatban 5-5 robottal. A labda, egy narancssárga színű golf labda. A robotok kommunikálhatnak egymással, illetve más számítógéppel vagy számítógépekkel. Tehát nem kell minden számítást a robotnak elvégezni, lehetőség van rá, hogy akár egy számítógépekből álló fürt végezze a számításokat. Továbbá a ligában engedélyezett a globális látás is. Azaz nem kell a robotokra kamerát szerelni, hanem az egész pályát belátó, egy vagy több kamera segítségével tudnak a robotok tájékozódni. Ehhez a robotokat színes mintákkal jelölik meg, hogy könnyen meg lehessen egymástól különböztetni őket. A ligában a játékidő 2x10 perc, maximum 10 perces szünettel. A játékszabályok a szabályzatában [8] pontosan rögzítve vannak, minden apró részletre kiterjedően. Játék közben két bíró ügyel azok maradéktalan betartására ábra Kisméretű ligában résztvevő robotok (CMU CM-Dragons) A közepes méretű ligában (Middle Size League, F-2000) egyedi fejlesztésű, maximum 50 cm átmérőjű és 80 cm magas robotok vehetnek részt. A játékosok maximális száma 6 robot csapatonként, melyből 1-1 robot védő szerepet kell, hogy betöltsön. A pálya mérete 12 x 8 méter, a labda standard FIFA 5-ös méretű, narancssárga színű labda. A játékidő 2 x 10 perc, maximum 10 perces szünettel. A robotok közötti kommunikáció engedélyezett, azonban távoli számítógépen történő feldolgozás nem engedélyezett, azaz a robotoknak autonómnak kell lenniük. A globális látás szintén nem engedélyezett, minden robotnak saját magának kell érzékelni a környezetét. A robotoknak sötét színűeknek kell lenniük, és a szabályzatban definiált, színes megkülönböztető jelzésekkel kell rendelkezniük. A pálya minden részének színe is pontosan meghatározott. A színek alapján történő tájékozódás megszokott és elterjedt a ligában, bár nem kötelező. A játékszabályok [9] szintén pontosan definiáltak, betartásukra két bíró ügyel, akárcsak a kisméretű ligában. 14

19 3.15. ábra Közepes méretű robotok játék közben (2004-es RoboCup, Portugália) A humanoid ligában két lábon járó, 2 karral és egy fejjel rendelkező, emberszerű, egyedi fejlesztésű robotok vehetnek részt. A robot testének méretarányai pontosan szabályozva vannak. A ligán belül további három kategóriára osztják a robotokat, a magasságuk alapján. Ezek a következők: H-40, H-80 és H-120. Ezek nevüket a tipikus robot magasságokról kapták. A robot magasságának rendre kisebbnek kell lennie, mint 44 cm, 88 cm és 180 cm, hogy részt vehessen az adott kategóriában. A labda és pálya mérete is a kategóriának megfelelő. A legnagyobb, H-120-as kategóriában 7.2 x 10.8 méteres a pálya és szabványos FIFA 5-ös méretű labdát használnak. A pálya itt is színkódolt, akárcsak a közepes méretű ligában. A játékosok száma, csapatonként 1-3 robotig terjedhet. A globális látás itt sem engedélyezett. A távoli agy, azaz a távoli feldolgozás engedélyezett, sőt ez az egyetlen liga, ahol a robotok kézzel történő irányítása is megengedett. Ennek oka, hogy a liga egyelőre leginkább demonstrációra szolgál, mintsem tényleges játékra. A hangsúly elsősorban a robot (alacsonyszintű) képességein van, nem a játékon és a stratégián. Ezt a tényt erősíti, hogy minden csapat lehetőséget kap egy 5 perces, a robot tetszőleges tulajdonságát bemutató demonstrációra, amit a zsűri a technikai teljesítmény és művészi benyomás alapján pontoz. Továbbá minden csapatnak demonstrálni kell, hogy a robot képes büntető rúgásra ábra Humanoid robot (2004-es RoboCup, Portugália) 15

20 Sony négylábú robot liga A Sony négylábú robot ligában (Sony Four Legged Robot League, vagy néha Four Legged League) AIBO robotok vehetnek részt. Minden csapatban 4 darab, 1 kapus és 3 csatár robot. Semmilyen hardver módosítás nem megengedett, kizárólag a vezeték nélküli hálózati kártya hozzáadása, azokhoz a típusokhoz, melyekbe ez nincs beleépítve. A robotok típusa is szabályozva van. A 2004-es játékokon a következő típusok vehettek részt: ERS-7, ERS-210, ERS-210A. Ez az egyetlen liga, ahol a robotok előre adottak. Emiatt a szoftverfejlesztésre ebben a ligában fordítják a legnagyobb hangsúlyt. A robotoknak autonóm módon kell működniük, távoli feldolgozás, illetve globális látás nem engedélyezett. A vezeték nélküli hálózat segítségével a robotok kommunikálhatnak egymással, illetve kötelezően kommunikálnak az ún. GameController-rel. Ez egy szoftver, melynek segítségével a játékvezetők a mérkőzést irányítják. A játékidő 2 x 10 perc. A pálya kinézete, méretei, a különböző objektumok színei előre adottak. A játék során alkalmazott megvilágítás is ismert, az erre vonatkozó részletes méréseket a liga honlapján [11] közzéteszik, még a mérkőzések előtt. A robotok a játék során színes mezt viselnek. Az egyik csapat kékszínűt, a másik vöröset. A labda, az AIBO-hoz adott szabványos, rózsaszínű labda. A pályán való tájékozódást 4 színkódolt oszlop, illetve a különböző színű kapuk segítik ábra A négylábú ligában használt pálya (2004-es RoboCup, Portugália) A mérkőzés során a robotok, GameController szerinti állapota a következők valamelyike lehet: initial, ready, set, playing, penalized, finished. Az első három a robotok kezdeti állapotai. A playing állapotban játszik a robot, a finished állapotba a félidő végén kerül. A penalized állapotba akkor jut, ha megsérti a játékszabályok valamelyikét. Ezek a hivatalos szabályzatban [12] pontosan részletezve vannak, akárcsak a megsértésükért járó büntetés. A ligában három bíró felügyeli a játékmenetet. Az állapotok közötti váltás, vagy a robot adott kapcsolójával, vagy pedig a GameController által küldött üzenettel lehetséges. A GameController-t egy operátor (a vezető bíró utasításainak megfelelően), a robotokat két segédbíró kezeli. Büntetéskor a robotok kiállítását, és visszahelyezését a segédbírók végzik. 16