Centralized task allocation for multiple quadrupeds
Çoğul quadrupedler için merkezi görev dağılımı
- Tez No: 894817
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 90
Özet
İçinde bulunduğumuz çağda her geçen yıl daha otonom sistemlere geçiş artıyor. Hemen hemen her yerde insan gücü ihtiyacı azalırken, robotik ve otomasyon sistemlerine olan ihtiyaç artıyor. Savunma, üretim, sağlık vb. alanlar bu sistemlerin kullanım alanlarını genişletmektedir. Bu değişim, insanın yaptığı işlere kıyasla daha az hataya, daha doğru sonuçlara, görev tamamlamada zaman kazanmaya yol açmaktadır. Bu otonom sistemler insanların yerine geçerken, aşılması gereken zorluklarından biri görevlerin nasıl dağıtıldığıdır. Araştırmacılar, görev kalitesini artırmak, bitiş süresini ve yürütme sürecinde meydana gelebilecek hataları azaltmak için algoritmalar geliştiriyorlar. Bu otonom sistemlerden bazıları belirli görevleri yerine getirir bu görevlerde değişiklik olmaz ve hangi görevin yapılması gerektiğine karar vermeyi gerektirmez. Bu tarz sistemlere örnek verecek olursak fabrikalarda kullanılan üretim makineleri veya robot kollarını verebiliriz. Bu sistemlerde görev değişmez ve görev tahsis işlemi gerektirmez. Bir diğer sistemlerde, belirli bir çevrede bulunan bazı robotların veya etkenlerin belirli görevleri yoktur ve ortamdaki açık noktaları tamamlamaları gerekir. Bu nedenle, bu sistemler görev dağıtım sürecine ihtiyaç duyarlar. Bu görev dağılım süreci organizasyonel olarak iki şekilde yapılabilir: merkezi ve merkezi olmayan. Merkezileştirilmiş teknikler, kapsamlı bir ön araştırmadan geçmiş bir yöntem sınıfıdır. Anahtar fikir, çeşitli iletişim kanalları aracılığıyla diğer tüm temsilcilerle iletişim kurabilen merkezi bir koordinatördür. Diğer aracıların birbirleriyle iletişim kurması gerekiyorsa, bu aracı onları kontrol eder ve bu etkenlere hangi görevlerin atanacağını seçer. Bu durumlarda, genel bir optimizasyon yöntemi sıklıkla dikkate alınır. Merkezileştirilmiş tasarımın faydaları arasında, küresel optimum noktayı bulmak için bir ön koşul olan küresel veri elde edilebilmesi ve tüm verilerin tek bir kaynaktan elde edilebilmesi sayılabilir. Kontrol ünitesinin gönderdiği emirlerin çoğu miktar, yetenek ve zamanlama planlaması ile ilgilidir. Sonuç olarak, merkezi strateji istikrarlı ve öngörülebilir koşullara ihtiyaç duyar. Merkezi yaklaşımın dezavantajlarına gelince, merkezi olmayan sistemler kadar esnek, ölçeklenebilir ve sağlam değildir. Merkezi olmayan görev tahsisinde, diğer aracılara görev atamaktan sorumlu tek bir merkezi etken yoktur. Bunun yerine, her robot diğer robotlarla iletişim kurar ve diğerlerinin eylemlerine önemli ölçüde aldırış etmeden hepsi bağımsız olarak çalışabilir. Bununla birlikte, merkezi olmayan sistemdeki bir aracının, görevini etkin ve uyumlu bir şekilde diğer aracılarla birlikte yerine getirmek için diğer aracılardan bilgi talep ettiği durumlar olabilir. Katılan robotlar, yanıt vermeden önce maliyet, enerji, mesafe, görev türü ve kullanılabilirlik gibi faktörlere dayalı olarak faydalarını hesaplayacaktır. Merkezi olmayan kontrol, hızlı değiştiği için dinamik bağlamlarda iyi çalışır. Bu yaklaşımın avantajları, ortam için esneklik, ölçeklenebilirlik ve sağlamlıktır.Dezavantajlarına gelirsek; merkezi olmayan kontrolün birincil dezavantajı, her bir bağımsız birim kendi hedeflerine ulaşmak için çabalarken bu her zaman sistemin genel optimumu ile sonuçlanmaz. Bu tez, çoğul quadruped sistemler için merkezi görev atama yöntemlerinin analizine odaklanmaktadır. Amaç, güç tüketimini en aza indirecek, görevi mümkün olan en kısa sürede tamamlayacak ve görev tamamlama oranını en üst düzeye çıkaracak şekilde etken görev atamaktır. Çita tipi quadruped için güç tüketimi ve iletim maliyeti analiz edilmiş ve literatürdeki sonuçlar kullanılarak (0,1) m/s arasındaki hızlar için güç tüketimi ekstrapole edilmiştir. Yöntemler MATLAB ve Global Optimizasyon araç kutusu kullanılarak analiz edilmiş ve benzetimi yapılmıştır. Bununla birlikte, A* kısa yol algoritması etken quadrupedlerin gidecekleri yolları hesaplamak için kullanılmıştır.A* yol planlama, bir grafik veya ızgara yüzeyde iki nokta arasındaki en uygun yolu bulmak için bilgisayar biliminde ve yapay zekada yaygın olarak kullanılan bir algoritmadır. Arama alanını verimli bir şekilde keşfetmek için hem tek tip maliyet arama hem de açgözlü en iyi ilk arama öğelerini birleştirir. Bu algoritma, verilen başlangıç noktası ile bitiş noktası arasındaki engelsiz en iyi yolu bulur. En iyi çözümü bulmak için sezgisel ve en kısa yol arama kombinasyonu kullanılır. Bu çalışmada, dört ayaklıların grid haritasında çapraz hareket edebildiği varsayılmıştır, bu nedenle sezgisel mesafe hesaplaması için Manhattan uzaklığını ve en kısa yol algoritmaları için Chebyshev uzaklığını kullandık. Bitişik hücrelerin maliyetleri, gerçek hedefe ulaşmak için en iyi yolu bulmak için hesaplanır. Aracılardan daha az görevin olduğu, görev ve aracı sayısının eşit olduğu ve aracılardan daha fazla görevin olduğu üç farklı görev atama problemi incelenmiştir. Elde edilen görev atamaları ve metrikler analiz edilmiştir. Etken quadrupedler arasındaki en kısa mesafelere göre görev atamayı amaçlayan açgözlü bir algoritma önerilmiş ve analiz edilmiştir. Ancak bu algoritma güç tüketimi ve görev tamamlama oranını dikkate almadığı için bazı durumlarda düşük performans göstermektedir. Genetik Algoritma ve Parçacık Sürü Optimizasyonu yöntemleri, özel optimizasyon (güçlülük) fonksiyonu geliştirilip kullanılmaktadır. Optimizasyon fonksiyonu toplam enerji tüketimi, görev tamamlama süresi ve görev tamamlama oranının geometrik bir kombinasyonudur. Sonuç olarak, ortaya çıkan görev atamaları genellikle daha fazla güç tüketirken görev tamamlama süresini büyük ölçüde azaltır. Çeşitli alanlarda artan otomasyon eğiliminin daha az hata, daha doğru sonuçlar ve zaman tasarrufu sağlamaktadır. Bu tezde ayrıca otonom sistemler için görev tahsisi kavramı ve bunun için kullanılan farklı yöntemler açıklanmaktadır. Yöntemler, önceden tanımlanmış bir karar vericinin olup olmamasına bağlı olarak merkezi olmayan veya merkezi olabilir. Sonuç olarak bu tez, çoklu quadruped sistemler için merkezi görev dağılım sürecine ilişkin değerli bilgiler sunmaktadır. Analiz edilen farklı yöntem ve algoritmalar, güç tüketimi, görev tamamlama süresi ve görev tamamlama oranının bir kombinasyonunun, en kısa mesafeye dayalı dağılıma kıyasla daha verimli ve etkili bir görev dağılım süreci ile sonuçlanabileceğini göstermektedir. Bulgular, çeşitli alanlarda daha gelişmiş ve otonom sistemlerin geliştirilmesine katkıda bulunarak üretkenliğin, doğruluğun ve verimliliğin artmasını sağlayabilir.
Özet (Çeviri)
The thesis focuses on analyzing different centralized task allocation methods for multiple quadruped systems. The goal is to assign tasks to agents in a way that minimizes power consumption, completes the mission in the shortest possible time, and maximizes task completion ratio. The power consumption and cost-of-transmission for cheetah-type quadruped are analyzed, and the power consumption is extrapolated for speeds between (0,1) m/s using the results from the literature. The methods are analyzed and simulated using MATLAB and its Global Optimization toolbox. Moreover, A* path planning algorithm is used to decide paths that agents take. Three different task assignment problems are explored where there are fewer tasks than agents, task and agent count are equal, and there are more tasks than agents. The resulting task assignments and metrics are analyzed. A greedy algorithm that aims to assign tasks according to the shortest distances between the agent quadrupeds is proposed and analyzed. However, since this algorithm does not consider power consumption and task completion ratio, it underperforms in some cases. The Genetic Algorithm and Particle Swarm Optimization methods are used by utilizing custom optimization (fitness) function. The optimization function is a geometric combination of total energy consumption, mission completion time, and task completion ratio. As a result, the resulting task assignments generally consume more power while reducing mission completion time tremendously. The growing trend of automation in various fields, leading to less error, more accurate results, and time-saving. The thesis also explains the concept of task allocation for autonomous systems and the different methods used for it. The methods can be decentralized or centralized, depending on whether there is a predefined decision-maker or not. In conclusion, the thesis provides valuable insights into the centralized task allocation process for multiple quadruped systems. The different methods and algorithms analyzed show that a combination of power consumption, mission completion time, and task completion ratio can result in a more efficient and effective task allocation process compared to shortest distance based allocations. The findings can contribute to the development of more advanced and autonomous systems in various fields, leading to increased productivity, accuracy, and efficiency.
Benzer Tezler
- Bio-inspired communication theories and techniques for next-generation networks
Gelecek nesil ağlar için biyolojik esinli iletişim teorileri ve teknikleri
BARIŞ ATAKAN
Doktora
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR B. AKAN
- Çeşitli büyüklüklerdeki alışveriş mekanlarını aydınlatma sistemleri tasarım ilkeleri
Designing principles of lighting systems in store designs of various types
HALE İKİZLER
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET Ş. KÜÇÜKDOĞU
- Gecikme toleranslı ağ tabanlı çoklu insansız hava aracı sistemleri için bir ortam erişim kontrol protokolü
A medium access control protocol for delay tolerant network based multiple unmanned aerial vehicle systems
TOLGAHAN TÜRKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHava Harp Okulu KomutanlığıBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKER BEKMEZCİ
- Joint server and route selection in SDN networks
SDN ağlarda ortak yol ve sunucu seçimi
HASAN ANIL AKYILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Yapım yönetiminde kaynak planlama yaklaşımları ve kompüter destekli çoklu proje programlama
Resource planning approaches and computer aided multi project scheduling in construction management
ÖZLEM SARICI