Type-2 fuzzy logic based linguistic pursuing strategy design with a real world application
Gerçek zamanlı bir uygulama ile tip-2 bulanık mantık tabanlı dilsel kovalama strateji tasarımı
- Tez No: 510916
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ TUFAN KUMBASAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
Bulanık mantığa olan ilgi çeşitli alanlarda gün geçtikçe önemli miktarda artmakta. Bu alanlar arasında, kontrol sistem tasarımı, karar verme, görüntü işleme, robotik, modelleme ve sözlerle ile işlem sayılabilir. Bulanık mantığa olan bu büyük ilgilinin altında yatan neden olarak, bulanık mantık tabanlı sistemlerin lineer olmayan etkenler, belirsizlikler ve bilinmeyen sistem dinamikleri karışışında başarılı bir şekilde çalışması gösterilebilir. Bunu yaparken, bulanık mantık tabanlı sistemler, çok açık olmayan veya iyi bilinmeyen durumlar karışışındaki insanların düşünüş tarzlarını taklit eder. Bu bağlamda, bulanık mantık tabanlı sistemler belirsizliklerin ve lineer olmayan etkenlerin fazla olduğu mühendislik uygulamalarında yaygın şekilde kullanılırlar. Bulanık mantık tabanlı sistemler yaygın olarak kullanılmasına rağmen, son dönemdeki çalışmalar incelendiğinde, klasik bulanık mantık tabanlı sistemler veya aynı zamanda tip-1 bulanık mantık sistemler olarak da adlandırılan sistemler bazı durumlarda belirsizlikleri ve lineer olmayan etkenleri tanımlamada yetersiz kalabilirler. Bu yetersizliğin nedeninin kısmi olarak, uygulanan geleneksel veya tip-1 bulanık kümelerinin aitlik değerlerinin keskin olmasından kaynaklandığı görülebilir. Bu nedenden dolayı, araştırmacılar tip-1 bulanık sistemlere alternatif olarak tip-2 bulanık sistemleri önermişlerdir. Bir takım çalışmalarda gösterilmiştir ki tip-2 bulanık sistemler belirsizliklerle baş etmede veya onları ifade etmede tip-1 hemcinslerine göre daha iyidir. Tip-2 bulanık kümelerinin daha iyi olmasının nedeni giriş üyelik fonksiyonlarındaki belirsizliklerin izdüşümünün onlara ekstra bir serbestlik derecesi sağlamasıdır. Tip-2 bulanık sitemler tip-1 bulanık sistemlerin genelleştirilmiş halleri olarak tanımlanabilir. Ancak, tip-2 bulanık sistemlerinde tip-1 bulanık sistemlerinden farklı olarak tip indirgeme denilen ekstra bir prosedür uygulanır. Tip indirgeme, tip-2 bulanık kümeleri durulama işlemi öncesinde tip-1 bulanık kümelere indirgemeye yarar. Tip-2 bulanık sistemler karmaşık içyapıları ve tip indirgemeden kaynaklanan yüksek işlem yükü sebepleriyle, hali hazırda çözülmemiş açık problemlere sahiptir. Bu yüzden, tip-2 bulanık sistemlerinde karşılaşılan problemlerin üstesinden gelmek için, tip-2 bulanık sistemlerin özel bir hali olan aralık değerli tip-2 bulanık sistemler önerilmiştir. Aralık değerli tip-2 bulanık sistemler günümüzde ilgili oldukları alanlarda etkin bir hale gelmektedir. Dolayısıyla, bir takım çalışmalarda özellikle aralık değerli tip-2 bulanık sistemlerinin belirsizlikleri daha iyi bir şekilde ifade etme kabiliyetleri nedeniyle yaygın şekilde kullanıldığını ve uygulandığını gözlemlemek mümkündür. Literatürdeki birçok tip-2 ve aralık değerli tip-2 bulanık mantık sistemlerin uygulamasında, belirsizliklerin izdüşümün parametresinin bir tasarım parametresi olarak ele alındığı görülmektedir. Belirsizliklerin izdüşümü parametresi çoğunlukla belirsizliklerin ve lineer olmayan etkenlerin sistem üzerindeki etkilerini azaltmak amacı ile ayarlanır. Bu nedenle, literatürde, belirsizliklerin izdüşümünün boyutunun veya şeklinin aralık tip-2 bulanık haritalamayı nasıl etkilediğine dair bazı çalışmalar yapılmıştır. Bir diğer taraftan, araştırmacılar ayrıca, aralık değerli tip-2 bulanık kümelerin ve bulanık mantık sistemlerinin dilsel anlamının avantajlarını kullanmak için belirsizliklerin izdüşümünün boyutu ile aralık tip-2 bulanık mantık sistemlerinin çıktısı arasındaki yorumlanabilir ilişkiyi açıklamaya çalışmışlardır. Bu çalışmaların bir sonucu olarak, aralık değerli tip-2 bulanık mantık sistemleri, kontrol sistem tasarımı, sözler ile işlem, karar verme, son zamanlarda gerçek-zamanlı oyunlar gibi bilinmeyen etkenlerin, belirsizliklerin ve karmaşıklıkların yüksek olduğu gerçek dünyadaki uygulamalarda popüler ve yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Son dönemlerde, oyunlar yapay zeka ve bilgiişlemsem zeka uygulamaları için sağladıkları rekabetçi, gerçekçi ve karmaşık test ortamı sebebiyle araştırmacılar arasında gittikçe rağbet görmeye başlamıştır. Özellikler kaçma-kovalama oyunları, engellerden kaçma, lider takibi ve yol planlama gibi diğer birçok robotik problemini kapsayan genel bir problem olarak görülebileceği için yaygın bir şekilde birçok çalışmada kullanılmaktadır. Kaçma-kovalama oyunlarında temel amaç şu şekilde tanımlanabilir; bir veya daha fazla kovalayan elemen bir veya daha fazla kaçan elemanı olabilecek en kısa zamanda yakalamaya çalışmaktadır, farklı bir deyişle bir veya daha fazla kaçan elemen bir veya daha fazla kovalayan elemandan olabildiğince fazla süre kaçmaya çalışmaktadır. Birbirinden farklı senaryolara sahip kaçma-kovalama oyunları genellikle mobil robotik alanında çalışan araştırmacılar tarafından kullanılmaktadır. Araştırmacılar, kaçma-kovalama oyunlarını mobil robotik alanına çoğunlukla karmaşık, bilinmeyen ve dinamik ortamlarda yol planlama problemini çözmek amacıyla uygulamaktadırlar. Literatür incelendiğinde, kaçma-kovalama oyun senaryoları farklı kriterlere göre şekillenmiştir. Bu kriterlere örnek vermek gerekirse; kaçan-kovalayan elemanların hareket kabiliyetlerinin kısıtları, kaçan-kovalayan eleman sayısı, yakalamanın tanımı ve oyun alanının yapısı gibi örnekler verilebilir. Literatürde araştırmacılar, bu zorlu kaçma-kovalama oyun problemini çözmek amacıyla farklı yöntemler önermişlerdir; bu yöntemler arasında dinamik programlama, oyun teorisi ve bulanık mantık teorisi sayılabilir. Bu bitirme tezi çalışmasında, kaçma-kovalama oyun problemini kaçan eleman tarafından çözmek amacıyla tip-2 bulanık tabanlı yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Bu bağlamda yeni bir kaçma-kovalama oyun senaryosu;“Game of Spheros”oluşturulmuştur. Bu yeni oyun senaryosu küresel robotlar olan Sphero 2.0 ve BB-8 ile kurulan yeni bir gerçek-zamanlı deney ortamına uygulanmıştır. Oluşturulan kaçma-kovalama oyun modeli sınırlandırılmış bir oyun alanına takip eden oyun özellikleri uygulanmıştır; kovalayan eleman kaçan elemandan daha hızlı olacak şekilde ayarlanmıştır, bunun yanında aynı zamanda kovalayan elemana daha az hareket kabiliyeti vermek amacıyla maksimum dümen açısı kaçan elemandan daha az olacak şekilde kısıtlanmıştır. Oluşturulan kaçma-kovalama oyun senaryosunda, kaçan eleman olan BB-8 bir insan kullanıcı tarafından kontrol edilirken, kovalayan eleman olan Sphero 2.0 bu tezde önerilen tip-2 bulanık mantık tabanlı akıllı kovalama sistemi ile kontrol edilmektedir. Önerilen akıllı tip-2 bulanık mantık tabanlı kovalama sistemi temelde beş ana parçadan oluşmaktadır. Bu parçalar şu şekilde sıralanabilir; görüntü tabanlı konumlama mekanizması, hata sinyal üreteci, kontrol sistemi, tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısı ve tip-1 bulanık mantık tabanlı karar verme mekanizması. Görüntü tabanlı konumlama mekanizması ucuz bir web cam ile oluşturulmuş olup oyun alanında kaçan ve kovalayan elemanların konumlandırılmasında kullanılmaktadır. Görüntü tabanlı konumlama mekanizmasının sağladığı geri besleme bilgisi, hata sinyal üreteci tarafından işlenerek tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısının ve tip-1 bulanık mantık tabanlı karar verme mekanizmasının ihtiyacı olan işaretler üretilir. Tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısı ve tip-1 bulanık mantık tabanlı karar verme mekanizması akıllı kovalama sisteminin temel elemanlarıdır. Tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısı kovalayan eleman tarafından izlenecek olan yörüngeleri üretirken, tip-1 bulanık mantık tabanlı karar verme mekanizması Tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısının belirsizliklerin izdüşümünün boyutunu ayarlayarak kovalayanın yaklaşma karakterini belirler. Tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısının için yapısının analizinde, dört adet yeni dilsel tip-2 bulanık mantık tabanlı kovalama stratejisi teorik analizler eşliğinde analitik olarak elde edildi ve sunuldu. Elde edilen yeni kovalama stratejileri şu şekildedir; agresif sol kovalama stratejisi, agresif sağ kovalama stratejisi, yumuşak sol kovalama stratejisi, yumuşak sağ kovalama stratejisi. Tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısı tek girişli aralık değerli tip-2 bulanık mantık sistemler ile oluşturulmuştur. Tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısında, aralık değerli tip-2 bulanık mantık sistemlerinin tip-2 giriş bulanık kümelerinin belirsizliklerinin izdüşümünü ayarlanarak kovalayan için takip yörüngelerini oluşturur. Tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısı ile tek bir parametre ayarlanarak kovalayanın kaçana göre hem yaklaşma karakterini hem de yaklaşma yönünü belirleyebiliriz. Bu önerilen yapının diğer yapılara göre üstün tarafı olarak gösterilebilir. Diğer bir deyişle, bu tez çalışmasının sonuçları gösterecektir ki tip-2 bulanık kümelerinin belirsizliklerinin izdüşümünü ayarlanarak, dilsel kovalama stratejileri oluşturmak mümkündür. Bu tez kapsamında ayrıca, uygulanan tip-2 kovalama stratejisini online olarak değiştirme ihtiyacı olduğu için bir akıllı tabanlı karar vermek mekanizması önerilmiştir. Karar verme mekanizması uzman bilgisine dayanarak tip-1 bulanık mantık sistemler ile oluşturulmuştur. Önerilen bulanık karar verme mekanizması ayrıca, tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısı için biz öz-ayarlamalı yapı şeklinde de tanımlanabilir çünkü bulanık karar verme mekanizması tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısı belirsizliklerinin izdüşümünün boyutunu online bir şekilde yeniden ayarlar. Böylelikle, bulanık karar verme mekanizması kovalayanın takip performansını arttırma şansı verir. Bulanık karar verme mekanizması ile ayarlanan takip stratejisi akıllı kovalama stratejisi olarak adlandırılmıştır. Bu tezin çıktıları önerilen akıllı takip stratejisinin, bu tezde önerilen diğer takip stratejileri karşısındaki üstünlüğünü gösterecektir çünkü akıllı takip stratejisi önerilen agresif ve yumuşak takip stratejilerinin iyi yönlerini bünyesinde barındırır. Son olarak bu tez çalışmasında, tip-2 bulanık kümelerinin belirsizliklerinin izdüşümlerinin boyutunun dilsel anlamlarını üzerine yapılan analizleri onaylamak ve ayrıca önerilen yapıların performanslarını göstermek amaçlarıyla gerçek zamanlı deneysel çalışmalar yapılmıştır. İlk olarak, önerilen tip-2 bulanık mantık tabanlı strateji planlayıcısının belirsizliklerinin izdüşümü ile çıkışı arasındaki dilsel anlam üzerine yapılan analizleri onaylamak amacıyla gerçek zamanlı deneyler gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, önerilen tip-2 kovalama stratejilerinin performansları bir insan kullanıcı karşısında incelenmiştir. Karşılaştırmalı deney sonuçları önerilen tip-2 bulanık kovalama stratejilerinin tatmin edici takip performanslarına sahip olduğunu ve akıllı kovalama stratejisinin diğerlerine göre üstün olduğunu gösterecektir.
Özet (Çeviri)
The Interest in fuzzy logic has grown significantly in various working areas such as control system design, decision making, image processing, robotics, modelling and computing with words. The reason behind this huge interest is that fuzzy logic systems perform well against nonlinearities, uncertainties or unknown system dynamics since they imitate the human's way of thinking and act accordingly against not-well known or not clear enough situations. In this context, fuzzy logic systems have been implemented into various engineering applications where uncertainties and nonlinearities are high. In recent works, it has been shown that the performance of the conventional fuzzy logic systems, also known as the type-1 fuzzy logic systems, might be inadequate in defining the nonlinearities and uncertainties in some cases. Besides, it is seen that this insufficient performance of conventional fuzzy logic system moderately caused from the crisp membership grades of the implemented conventional or type-1 fuzzy sets. Thus, researchers have been proposed the type-2 fuzzy logic systems as the alternatives of type-1 fuzzy logic systems. It has been shown in several studies that type-2 fuzzy logic systems have the capability to handle or represent the uncertainties in a better way since they have an extra degree of freedom that is provided by the footprint of uncertainty. Type-2 fuzzy logic systems can be defined as the generalized versions of their type-1 counterparts. However, in handling of the type-2 fuzzy logic systems, an additional procedure is needed in type-2 fuzzy inference system that is defined as type reduction unlike their type-1 counterparts. The type reduction is applied to the antecedent type-2 membership functions of the fuzzy rules in order to reduce them into type-1 form before the defuzzification process. Type-2 fuzzy logic systems still have open problems since they have a complex internal structure and their high computational costs caused from the type reduction operation of type-2 fuzzy sets. Therefore, interval type-2 fuzzy logic systems, a special form of type-2 fuzzy logic systems, have been proposed to overcome this computational problem. Interval type-2 form of the fuzzy logic systems have becoming a dominating subject in the related fuzzy logic areas. In this context, it has been seen in several studies that especially interval type-2 fuzzy logic systems are widely used and employed since their capability to represent uncertainties in a better way and also their lower computational cost. In most of the applications of type-2 and interval type-2 fuzzy logic systems, the parameter footprint of uncertainty is usually handled as a design parameter and mostly it is tuned in order to decrease the effects of uncertainties and nonlinearities on the system performance. Therefore, there are also some studies have been performed in literature on how the size or shape of the footprint of uncertainty affects the interval type-2 fuzzy mapping. On the other hand, researchers have also worked on describing an interpretable relationship between the size of the footprint of uncertainty and the output of the interval type-2 fuzzy logic systems to use the advantages of the linguistic meaning of the interval type-2 fuzzy sets and fuzzy logic systems. In the light of these studies, interval type-2 fuzzy logic systems have become popular and widely employed to the real-world applications where unknowns, uncertainties and complexities are high such as control system design, computing with words, decision making and recently in computer and real-world games. Recently, games are gaining more and more attention among the researchers since they provide challenging, realistic and complex testbeds for computational intelligence and artificial intelligence structures and methods. In particular, pursuit-evasion game types have been commonly used in various studies as they can be defined as general problem of the many other robotic problems such as obstacle avoidance, leader-following and path-planning. The main goal of the pursuit-evasion games can be defined as; one or more pursuer tries to catch one or more evader in the probable shortest time while one or more evader tries to escape as much as possible. The various types of scenarios of the pursuit-evasion games are generally handled by the researchers who work on the area of mobile robotic. In the mobile robotic field, the pursuit-evasion games are mainly implemented to solve motion planning problems in complex, unknown and dynamic environments. In literature, the types of developed pursuit-evasion game scenarios have been shaped with respect to the limitation of the moving capabilities of the agents, number of the agents, the definition of the capture and structure of the game space. In order to solve this challenging pursuit-evasion game problem, different types of methods have been employed in literature such as dynamic programming, game theory and fuzzy logic theory. In this master thesis, we have proposed a type-2 fuzzy logic based novel approach in order to solve the pursuing problem of the real-world pursuit-evasion game;“Game of Spheros”with a new experimental setup that is constructed with spherical droids Sphero 2.0 and the BB-8. The game model has been implemented to a bounded game environment with the following specifications; the pursuer is adjusted to be faster than the evader, but at the same time to make it less maneuverable the maximum steering angle of the pursuer is restricted. In the constructed pursuit-evasion game scenario, the evader droid BB-8 is controlled by a human user while the pursuing droid Sphero 2.0 is controlled by the propose type-2 fuzzy logic based pursuing system. The proposed intelligent type-2 fuzzy logic based pursuing system is mainly composed of five components that are the vision based localization, error signal generator, control system, type-2 fuzzy strategy planner and type-1 fuzzy decision making mechanism. The vision based localization mechanism is established with a low cost webcam to localize the droids in the game environment. This feedback information is used by error signal generator to provide the necessary inputs to the type-2 fuzzy strategy planner and type-1 fuzzy decision making mechanism. Type-2 fuzzy strategy planner and type-1 fuzzy decision making mechanism are the key blocks of these intelligent pursuing system since the type-2 fuzzy strategy planner generates the reference trajectories to be followed by the pursuer and type-1 fuzzy decision making mechanism regulates the approaching behavior of the pursuer by regulating the footprint of uncertainty sizes of the type-2 fuzzy strategy planner. In the analysis of the internal structure of the type-2 fuzzy strategy planner, we have analytically derived and presented four novel type-2 fuzzy logic based pursuing strategies which are the aggressive right pursuing strategy, aggressive left pursuing strategy, smooth right pursuing strategy and smooth left pursuing strategy for the pursuit-evasion games through detailed theoretical analyses. Type-2 fuzzy strategy planner has been constructed with single input interval type-2 fuzzy logic systems and it creates pursuing trajectories to be followed by the pursuer with respect to the change of the size of the footprint of uncertainty or the height of the lower membership functions of the interval type-2 fuzzy sets. We can determine the pursuer's approaching behavior and approaching side according to the evader by regulating only one parameter besides generating pursuing trajectories with our proposed type-2 fuzzy strategy planner which can be defined as the superior part of the proposed structure. In other words, the result of this thesis study will show that it is possible to design pursuing strategies linguistically in terms of both the approaching behavior (Aggressive, Smooth) and approaching side (Left or Right) to the evader by simply tuning the footprint of uncertainty sizes of the interval type-2 fuzzy sets. We have also presented the type-1 fuzzy decision making mechanism to regulate type-2 pursuing strategy in an online manner as there is a need to change the pursuing strategy in an intelligent way. Decision making mechanism has been constructed with type-1 fuzzy logic systems based on the expert knowledge. Proposed fuzzy decision making mechanism can be also defined as a self-tuning mechanism for the type-2 fuzzy strategy planner since it regulates the footprint of uncertainty sizes of the antecedent type-2 fuzzy sets of the type-2 fuzzy strategy planner to give the chance of increasing the pursuing performance. The fuzzy decision mechanism tuned pursuing strategy is named as the intelligent pursuing strategy in this thesis. The outcomes of the thesis study will show that the superiority of the proposed intelligent pursuing strategy since fuzzy decision making mechanism provides the advantages of both aggressive and smooth pursuing strategies by regulating the footprint of uncertainty sizes of the type-2 fuzzy strategy planner in an online manner. Finally, in order to validate that the analyses on the linguistic relationships of the interval type-2 fuzzy sets of the footprint of uncertainty and also show that the performances of the proposed structure, we have performed real-world game experiments. Firstly, we will present several experimental results to validate that whether the proposed type-2 fuzzy strategy planner has an interpretable relationship between its footprint of uncertainty size and its output. Then, the pursuing performances of the proposed linguistic pursuing strategies will be also examined against a human user. Comparative experimental results of the type-2 fuzzy logic based pursuing strategies will be presented to show that resulting performances are satisfactory. It will be demonstrated that intelligent pursuing strategy, generated from the type-2 fuzzy strategy planner and fuzzy decision making mechanism structures, improved the pursuing performance as it has the capability to change the employed pursuing strategy in the dynamic pursuit-evasion game against a human controlled evader.
Benzer Tezler
- Improved fuzzy logic based edge detection method on clinical images
Klinik görüntülerde bulanık mantık temelli iyileştirilmiş kenar tespit yöntemi
MURAT MERT ÇELEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER ÜSTOĞLU
- Bir ankastre fabrikasında sipariş gecikmelerinin tip-2 bulanık kural tabanlı hata türü ve etkileri analizi ile incelenmesi
Investigation of order delays in a built-in factory via type-2 fuzzy rule based failure mode and effects analysis
MERVE GELEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiAkıllı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERMİN ELEVLİ
- Yazılım seçiminde küresel bulanık topsıs yöntemi ile çok kriterli karar verme
Multi-criteria decision making of software packages using spherical fuzzy topsis
MERVE CANPOLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ KAHRAMAN
- HTEA'da ağırlıklandırılmış aralık tip 2 bulanık kural tabanı sistemi yaklaşımı ve uygulaması
Weighted interval type 2 fuzzy rule based system approach and applicaton in FMEA
EMİNE MERVE ALTUNBEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CAFER ERHAN BOZDAĞ
- Aralık Tip-2 ve sezgisel bulanık kontrol grafiklerinin geliştirilmesi
Development of interval Type-2 and intuitionistic fuzzy control charts
HATİCE ERCAN TEKŞEN
Doktora
Türkçe
2019
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET SERMET ANAGÜN