Behavior-Based Robotics?

[tcwan]

Hi,

I've been reading Joseph Jones' book, "Robot Programming: A Practical Guide to Behavior-Based Robotics", ISBN 0-07-142778-3.
I'm wondering if anyone here has experience building robots using the Behavior Based approach described in the book.

I'm trying to understand how the software for such a robot would be structured, the book is great for concepts and high level ideas,
but not much in terms of actually developing and implementing the software architecture for such a robot.

My target platform is NxOS, but if there's any examples using NXC or LeJOS it'd be a place to start getting some ideas.
I don't suppose NXT-G would easily support such an approach to robot programming.

[dimasterooo]

Check http://www.roachnet.wordpress.com . He's done a lot of stuff on that, and also has some dowloads available

[HaWe]

I'm using behaviour-based programs allready since thee old days of NQC.
This is a NQC program from 2004 which can easily be changed to NXC - I was about to do that for my current Tetrix Robot, but as the use of multithreaded Tetrix encoder reading is not possible, the project is stuck since a long while.
Here's my old NQC program, maybe it helps:

Code: Select all

//Rasenmaeher
//"Case-sensitive" Version
//sowohl für Lego-Kleinmodell als auch das "große Original"

//-----------Compiler----------//
#define and &&      // da freut sich der Pascal-Programmierer ;-)
#define or ||
#define begin {
#define endif }

#define Maeher (OUT_B)
#define Aus    Float
#define An     OnFwd

//-----------2-Motoren-Antrieb----------//
#define CommNone -1         // Bewegung undefiniert
#define BewegStopp 0        // alle Mot. stoppbzw. float

#define BewegVor 1          // beide Mot. vor
#define BewegRueck 2        // beide Mot. zurück

#define BewegLiDreh  3      // Mot. gegenläufig links
#define BewegReDreh  4      // Mot. gegenläufig rechts

#define BewegLiBogen 5      // Mot. li steht, rechts dreht
#define BewegReBogen 6      // Mot. re steht, links dreht

#define BewegLiRueBogen 7   // Mot. li dreht rü, rechts steht
#define BewegReRueBogen 8   // Mot. re dreht rü, links steht

#define li 3
#define re 4



//----------- Widerstandswerte der Touch-Sensoren----------//
int RawBeide;
int RawLinks;
int RawRechts;
int RawMin;
int deltaRaw = 10;                 // Schwankungsbreite der Touch-Raw-Werte

//----------- Manöverzeiten ----------//
int Wendezeit ;
int PlusFahrzeit ;
int RueckFahrzeit ;
int T;

//-----------Licht-Sensoren----------//
int deltaLicht= 60;           // Schwankungsbreite des Lichtwerts (Rasen-Grün)

//-----------Programmsteuerung----------//
int BumpTimout = 100;         // Zeit des Vergessens...
int MaxThreadTime = 120;
// -----------------------------------------------------------------------

int vCruise;                  // Verhalten ohne Störung => geradeaus !

task cruise ()
{
    vCruise=BewegVor;         // aktiviert sich als unterste Ebene von alleine

    PlaySound (SOUND_CLICK);
    An (Maeher);              // schaltet Relais für Mäh-Motor
    while (true) {
       Wait(20);
    }
}

// -----------------------------------------------------------------------

int vAusweichen;              // Verhalten bei Lichtwechsel (Untergrund)
int LichtMw_1, LichtMw_3;     // Durchschnitts-Lichtwert für Rasen-Grün
int bumpcount;
int LastDir;

task ausweichen()
{

      while (true)
      {
         if ((abs(SENSOR_1 -LichtMw_1) > deltaLicht) and   // linker und
             (abs(SENSOR_3 -LichtMw_3) > deltaLicht))      // rechter Untergr.
         begin                                             // verändert
            PlaySound (SOUND_DOWN);
            ClearTimer (0);
            T=Timer(0);
            vAusweichen=BewegStopp;     Wait(20);

            if (LastDir==li)                                // in entgegenges.
               vAusweichen= BewegReDreh;                    // Richtung drehen
            else  vAusweichen= BewegLiDreh;
            Wait(Wendezeit*3/2);
            vAusweichen=BewegStopp;  Wait(20);

            do {                                            // bis Untergr. OK !
               vAusweichen=BewegRueck;  Wait(Wendezeit*2);
               if (LastDir==li)  vAusweichen= BewegReRueBogen;
               else    vAusweichen= BewegLiRueBogen;
               Wait(Wendezeit/5);
            }
            while ((abs(SENSOR_1 -LichtMw_1) > deltaLicht) or
                   (abs(SENSOR_3 -LichtMw_3) > deltaLicht)) ;

            vAusweichen=BewegStopp;   Wait(20);
            vAusweichen=BewegRueck;  Wait(Wendezeit*3);
            vAusweichen=BewegStopp;   Wait(20);

            if (LastDir==li)  vAusweichen= BewegLiDreh;
            else              vAusweichen= BewegReDreh;
            Wait(Wendezeit*2);
            vAusweichen=BewegStopp;  Wait(20);
            vAusweichen=CommNone;
         endif

         else
         if  (abs(SENSOR_3 -LichtMw_3) > deltaLicht)  // rechter Untergr.
         begin                                        // verändert
            PlaySound (SOUND_CLICK);                  // => nach links drehen
            LastDir=li;
            vAusweichen=BewegLiBogen; Wait(Wendezeit*2);
            vAusweichen=CommNone;

         endif

         else
         if (abs(SENSOR_1 -LichtMw_1) > deltaLicht)   // linker Untergr.
         begin                                        // verändert
            PlaySound (SOUND_CLICK);
            LastDir=re;                               // => nach rechts drehen
            vAusweichen=BewegReBogen; Wait(Wendezeit*3);
            vAusweichen=CommNone;
         endif
     }
}

// -----------------------------------------------------------------------


int vWenden;

task wenden ()                // Verhalten beim Anstoßen vorn (Stoßstangen)
{                             // und bei IR-Hindernis-Sensor-Signalen

     while (true){
        if ((SENSOR_2 >(RawBeide-deltaRaw)) and (SENSOR_2 <(RawBeide+deltaRaw)))
        begin
           bumpcount += 1;
           PlaySound (SOUND_LOW_BEEP);
           ClearTimer (0);

           vWenden=BewegStopp;    Wait(20);
           vWenden=BewegRueck;    Wait(RueckFahrzeit);
           vWenden=BewegReDreh;   Wait(Wendezeit*3);
           if (bumpcount>4)       Wait(PlusFahrzeit);    //rausdrehen
        endif
        else
        if ((SENSOR_2 >(RawLinks-deltaRaw)) and (SENSOR_2 <(RawLinks+deltaRaw)))
        begin
           PlaySound (SOUND_DOWN);
           bumpcount += 1;
           ClearTimer (0);
           vWenden=BewegStopp;     Wait(20);
           vWenden=BewegRueck;     Wait(RueckFahrzeit);
           vWenden=BewegReDreh;    Wait(Wendezeit*2);
           if (bumpcount>4)        Wait(PlusFahrzeit);  //rausdrehen
        endif
        else
        if((SENSOR_2 >(RawRechts-deltaRaw)) and (SENSOR_2 <(RawRechts+deltaRaw)))
        begin
           PlaySound (SOUND_FAST_UP);
           bumpcount += 1;
           ClearTimer (0);
           vWenden=BewegStopp;     Wait(20);
           vWenden=BewegRueck;     Wait(RueckFahrzeit);
           vWenden=BewegLiDreh;    Wait(Wendezeit);
           if (bumpcount>4)        Wait(PlusFahrzeit);   //rausdrehen
        endif

        vWenden=CommNone;
   }
}

// -----------------------------------------------------------------------

int vRueckAbbr;

task rueckAbbr ()
{                                         // Verhalten beim Rückwärts-Anstoßen
    int wohin;
    while (true){
      if (SENSOR_2 < RawMin)
      begin
         PlaySound (SOUND_DOWN);
         //Aus (Maeher);                  // Mähmotor aus
         stop wenden;
         vWenden=CommNone;

         vRueckAbbr=BewegStopp;           // erst abstoppen und dann
         vRueckAbbr=BewegVor;   Wait(2);  // hintere Stoßstange entlasten
         wohin=Random(2);
         if (wohin==0)  vRueckAbbr=BewegReDreh;
         else   vRueckAbbr=BewegLiDreh;
         Wait(Wendezeit/2);
         vRueckAbbr=BewegStopp;
         Wait(MaxThreadTime);    // warten, bis alle anderen Tasks durch sind

         vRueckAbbr=CommNone;             // zurück zur Tagesordnung!
         An (Maeher);
         ClearTimer (0);
         vCruise=BewegVor;
         start wenden;
      endif

    }
}

// -----------------------------------------------------------------------

int vNotStopp;

task NotStopp ()
{                                    // Verhalten bei Notstopp
     int x;

     while (true){
        x= BatteryLevel();
        if ((x<7500) or
           ((SENSOR_1< RawMin) and (SENSOR_2 <RawMin) and (SENSOR_3 <RawMin)))
        begin                        // NOTSTOPP-BEDINGUNG: zuwenig Saft
                                     // u/o alle Sensoren gleichz. gedrückt!
             InitCommNone();         // alle Verhaltensvariablen auf CommNone
             
             vNotStopp=BewegStopp;   // MotorCommand erhält BewegStopp
                                     // über arbitrate ()
             Aus Maeher;
             StopAllTasks ();
             SetUserDisplay (x,0);
             PlaySound (SOUND_DOWN);
             Wait(20);
             PlaySound (SOUND_LOW_BEEP);      // Das war's ...!
        endif
     }
}


// -----------------------------------------------------------------------



task deepThought ()            // vergessen oder nicht ... ?
{
     while (true){
        T=Timer(0);            // Timer-Wert (Stoppuhr) abfragen
        if (T > BumpTimout)    // nach TimeOut: Bump-Gedächtnis löschen
        //begin
           bumpcount=0;
        //endif
     }
}

//  ===================================================================

int MotorCommand;
task arbitrate ()
{         // Hier werden die Verhaltens-Prioritäten festgelegt!
    while(true) {
       if (vCruise != CommNone)      MotorCommand = vCruise;   // niedrigste Pr.
       if (vAusweichen != CommNone)  MotorCommand = vAusweichen;
       if (vWenden != CommNone)      MotorCommand = vWenden;
       if (vRueckAbbr != CommNone)   MotorCommand = vRueckAbbr;
       if (vNotStopp != CommNone)    MotorCommand = vNotStopp; // höchste Pr.


       MotorControl ();     // MotorCommand erhält seinen Wert Event-gesteuert
                            // vom entsprechenden aktiven Task
   }                        // MotorControl übernimmt dann die
                            // einfachsten Motorbefehle
}

sub MotorControl () {
   if      (MotorCommand == BewegVor)         OnFwd (OUT_A + OUT_C);
   else if (MotorCommand == BewegRueck)       OnRev (OUT_A + OUT_C);
   else if (MotorCommand == BewegLiDreh)     {OnRev (OUT_A); OnFwd (OUT_C);}
   else if (MotorCommand == BewegReDreh)     {OnRev (OUT_C); OnFwd (OUT_A);}
   else if (MotorCommand == BewegLiBogen)    {Aus   (OUT_A); OnFwd (OUT_C);}
   else if (MotorCommand == BewegReBogen)    {Aus   (OUT_C); OnFwd (OUT_A);}
   else if (MotorCommand == BewegStopp)       Aus   (OUT_A + OUT_C);
   else if (MotorCommand == BewegLiRueBogen) {Aus   (OUT_C); OnRev (OUT_A);}
   else if (MotorCommand == BewegReRueBogen) {Aus   (OUT_A); OnRev (OUT_C);}
}

//  ===================================================================

task main ()
{
   init();
   initLego();
   InitCommNone();
   vNotStopp=CommNone;      // Notstopp gesondert auf "undefiniert"

   Calibrate();

   start cruise;
   start wenden;
   start ausweichen;
   start rueckAbbr;
   start NotStopp;
   start deepThought;

   start arbitrate;
}

//  ===================================================================

sub init ()
{
   SetTxPower (TX_POWER_HI);
   ClearMessage();

   SetSensor(SENSOR_2, SENSOR_TOUCH);        // Stoßstangen
   SetSensorMode(SENSOR_2, SENSOR_MODE_RAW);

   SetSensor(SENSOR_1, SENSOR_TOUCH);        // Licht links
   SetSensorMode(SENSOR_1, SENSOR_MODE_RAW);

   SetSensor(SENSOR_3, SENSOR_TOUCH);        // Licht rechts
   SetSensorMode(SENSOR_3, SENSOR_MODE_RAW);

   SelectDisplay(DISPLAY_SENSOR_3);          // Digitalanzeige des Sensorwerts

   bumpcount=0;
   ClearTimer(0);
                           // (Standard) Großmodell: Init für Mikroschalter
   RawLinks=  275;         // 3,6 kOhm Mikroschalter: 275 -  Lego: 295
   RawRechts= 134;         // 1,5 kOhm Mikroschalter: 134 -  Lego: 178
   RawBeide=  100;         // beide    Mikroschalter: 130 -  Lego: 130
   RawMin=     70;         // 470 Ohm = Innenwid. Legoschalter

   Wendezeit= 100 ;        // Standard: Init Fahrzeiten für Groß-Modell
   PlusFahrzeit= 200 ;
   RueckFahrzeit= 400 ;    // Fertig: Init für Großmodell

   LichtMw_1=0;
   LichtMw_3=0;
}

//  ===================================================================

sub initLego ()                      // (Lego:) Init für Lego-Sensoren,
{                                    // wenn Sensor-Stoßstange beim Start
   PlaySound (SOUND_DOUBLE_BEEP);    // nach Doppel-Beep gedrückt wird
   Wait(100);
   if (SENSOR_2 < 800)
   begin                             // (Lego:) andere Schalter-RAW-Werte
        do {
            PlaySound (SOUND_CLICK); // warten, bis Stoßstange
            Wait(10);                // wieder losgelassen wird
        }   while (SENSOR_2 < 800);

        RawLinks=  295;         // 3,6 kOhm Mikroschalter: 275 - Lego: 295
        RawRechts= 178;         // 1,5 kOhm Mikroschalter: 134 - Lego: 178
        RawBeide=  130;         // beide    Mikroschalter: 100 - Lego: 130

        Wendezeit= 30 ;         // Lego:  kleinere Manöverzeiten
        PlusFahrzeit= 60 ;
        RueckFahrzeit= 120;

        PlaySound (SOUND_DOWN); // Fertig: Init für Lego-Kleinmodell
   endif
}

//  ===================================================================

sub InitCommNone ()             // alle Verhaltensweisen auf "undefiniert"
{
   vCruise=CommNone;
   vWenden=CommNone;
   vAusweichen=CommNone;
   vRueckAbbr=CommNone;
}


//  ===================================================================

sub Calibrate()
{
   LichtMw_1= SENSOR_1;
   LichtMw_3= SENSOR_3;

   ClearTimer(0);

   OnFwd (OUT_A + OUT_B + OUT_C);
   do {
      T=Timer(0);
      LichtMw_1=(LichtMw_1+SENSOR_1)/2;
      LichtMw_3=(LichtMw_3+SENSOR_3)/2;
      Wait(20);
      }
   while (T<40);  // 4 sek.

   Aus (OUT_A + OUT_C);   Wait(50);

   ClearTimer(0);
   OnRev (OUT_A + OUT_C);
   do {
      T=Timer(0);
      LichtMw_1=(LichtMw_1+SENSOR_1)/2;
      LichtMw_3=(LichtMw_3+SENSOR_3)/2;
      Wait(20);
      }
   while (T<40);  // 4 sek.

   Aus (OUT_A + OUT_C);
   ClearTimer(0);
}

[tcwan]

Thanks everyone!

I was hoping to find some example of dynamic and/or hierarchical arbitration processing.
I guess it is best to try and keep it simple with a single level arbitration if possible.

[HaWe]

this IS the hierarchical arbitrate task:

Code: Select all

task arbitrate ()
{         // Hier werden die Verhaltens-Prioritäten festgelegt!
    while(true) {
       if (vCruise != CommNone)      MotorCommand = vCruise;            // lowest priority 
       if (vAusweichen != CommNone)  MotorCommand = vAusweichen;
       if (vWenden != CommNone)      MotorCommand = vWenden;
       if (vRueckAbbr != CommNone)   MotorCommand = vRueckAbbr;
       if (vNotStopp != CommNone)    MotorCommand = vNotStopp;     // highest priority 

       MotorControl ();      
   }                                                 
}

[tcwan]

this IS the hierarchical arbitrate task:

}[/code]

Hi Doc-Helmut,

Thanks, but I was referring to a multilevel arbitration scheme; in the book there is an example with a single level arbitrator with strict priorities (which would be similar to your example), and then there were diagrams of multiple arbitrators which feed from one to another in a sort of a hierarchy (i.e., lower level arbitrator output would not necessarily get triggered in the end if the higher level arbitrator decides otherwise (but without any concrete examples).

My comment implied that is was probably more of a research issue rather than something that most robot builders (at least, at this level) have to worry about, though some of your creations may need such arbitration schemes?

The other thing in terms of a framework, is whether it is practical to abstract the task prioritization to calling library functions instead of having to define a robot-specific arbitrate() function. That is more of a software abstraction issue, it may not be practical to actually implement it for the NXT due to memory / processing constraints. As a corollary, you can think of using C++ STL classes to implement linked lists instead of writing your own link list code; so having a library of functions to handle BBR configuration and arbitration would make it easier to write such programs. I'll have to take a closer look at the LeJOS and Thom Roach's stuff before deciding on this matter.