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Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DennisBA.pdf: 1210954 bytes, checksum: f42a19fb396d47e801ab673ab1f88887 (MD5) Previous issue date: 2005-10-14 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / In multi-robot systems, both control architecture and work strategy represent a challenge for researchers. It is important to have a robust architecture that can be easily adapted to requirement changes. It is also important that work strategy allows robots to complete tasks efficiently, considering that robots interact directly in environments with humans. In this context, this work explores two approaches for robot soccer team coordination for cooperative tasks development. Both approaches are based on a combination of imitation learning and reinforcement learning. Thus, in the first approach was developed a control architecture, a fuzzy inference engine for recognizing situations in robot soccer games, a software for narration of robot soccer games based on the inference engine and the implementation of learning by imitation from observation and analysis of others robotic teams. Moreover, state abstraction was efficiently implemented in reinforcement learning applied to the robot soccer standard problem. Finally, reinforcement learning was implemented in a form where actions are explored only in some states (for example, states where an specialist robot system used them) differently to the traditional form, where actions have to be tested in all states. In the second approach reinforcement learning was implemented with function approximation, for which an algorithm called RBF-Sarsa($lambda$) was created. In both approaches batch reinforcement learning algorithms were implemented and imitation learning was used as a seed for reinforcement learning. Moreover, learning from robotic teams controlled by humans was explored. The proposal in this work had revealed efficient in the robot soccer standard problem and, when implemented in other robotics systems, they will allow that these robotics systems can efficiently and effectively develop assigned tasks. These approaches will give high adaptation capabilities to requirements and environment changes. / Em sistemas multi-rob?s a arquitetura de controle e a estrat?gia de trabalho representam um desafio para os pesquisadores. ? importante que a arquitetura de controle seja robusta, de forma que se adapte naturalmente ?s mudan?as nas caracter?sticas do problema e tamb?m que a estrat?gia de trabalho permita aos rob?s desenvolver as tarefas atribu?das eficaz e eficientemente, levando em considera??o a restri??o de que os rob?s v?o interagir diretamente em ambientes povoados de seres humanos. Neste contexto, este trabalho explora duas abordagens para a coordena??o de uma frota de rob?s desenvolvendo tarefas cooperativas. Ambas as abordagens s?o baseadas em uma mistura de aprendizado por imita??o e por experi?ncia. Assim, na primeira abordagem desenvolveu-se uma arquitetura de controle, uma m?quina de infer?ncia difusa para reconhecimento de fatos em jogos de futebol, um software narrador de jogos baseado na m?quina de infer?ncia difusa, e a implementa??o de aprendizado por imita??o a partir de observa??o e an?lise de outros times rob?ticos. Al?m disso, aplicou-se eficientemente abstra??o de estados em aprendizado por refor?o no problema padr?o de futebol de rob?s. Finalmente, o aprendizado por refor?o foi implementado de forma que as a??es somente s?o executadas em certos estados (por exemplo os estados onde algum sistema rob?tico especialista j? as utilizou) diferentemente da forma tradicional onde as a??es no banco de conhecimento t?m que ser testadas em todos os estados. No caso da segunda abordagem, implementou-se aprendizado por refor?o com aproxima??o de fun??es, para o que foi criado um algoritmo chamado RBF-Sarsa($lambda$). Em ambas as abordagens implementou-se o aprendizado por refor?o em lotes e o aprendizado por imita??o como semente para aprendizado por refor?o. Al?m disso, explorou-se o aprendizado com times de rob?s controlados por seres humanos. As propostas deste trabalho mostraram-se eficientes no problema padr?o de futebol de rob?s, e ao serem implementadas em outros sistemas rob?ticos permitir?o que os mesmos sejam eficazes e eficientes no desenvolvimento das tarefas atribu?das com um alto grau de adapta??o ?s mudan?as dos requerimentos e do ambiente.

In der vorliegenden Dissertation wurde ein datengetriebenes Verfahren zum maschinellen Lernen von Mensch-Roboter Interaktionen auf Basis von Mensch-Mensch Demonstrationen entwickelt. Während einer Trainingsphase werden Bewegungen zweier Interakteure mittels Motion Capture erfasst und in einem Zwei-Personen Interaktionsmodell gelernt. Zur Laufzeit wird das Modell sowohl zur Erkennung von Bewegungen des menschlichen Interaktionspartners als auch zur Generierung angepasster Roboterbewegungen eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird in drei komplexen Anwendungen evaluiert, die jeweils kontinuierliche Bewegungskoordination zwischen Mensch und Roboter erfordern. Das Ergebnis der Dissertation ist ein Lernverfahren, das intuitive, zielgerichtete und sichere Kollaboration mit Robotern ermöglicht.

L'Imitation par observation (IPO) est un paradigme d'apprentissage qui consiste à entraîner des agents autonomes dans un processus de décision markovien (PDM) en observant les démonstrations d'un expert et sans avoir accès à ses actions. Ces démonstrations peuvent être des séquences d'états de l'environnement ou des observations visuelles brutes de l'environnement. Bien que le cadre utilisant des états à dimensions réduites ait permis d'obtenir des résultats convaincants avec des approches récentes, l'utilisation d'observations visuelles reste un défi important en IPO. Une des procédures très adoptée pour résoudre le problème d’IPO consiste à apprendre une fonction de récompense à partir des démonstrations, toutefois la nécessité d’analyser l'environnement et l'expert à partir de vidéos pour récompenser l'agent augmente la complexité du problème. Nous abordons ce problème avec une méthode basée sur la représentation des comportements de l'agent dans un espace vectoriel en utilisant des vidéos démonstratives. Notre approche exploite les techniques récentes d'apprentissage contrastif d'images et vidéos et utilise un algorithme de bootstrapping pour entraîner progressivement une fonction d'encodage de trajectoires à partir de la variation du comportement de l'agent. Simultanément, cette fonction récompense l'agent imitateur lors de l'exécution d'un algorithme d'apprentissage par renforcement. Notre méthode utilise un nombre limité de vidéos démonstratives et nous n'avons pas accès à comportement expert. Nos agents imitateurs montrent des performances convaincantes sur un ensemble de tâches de contrôle et démontrent que l'apprentissage d'une fonction de codage du comportement à partir de vidéos permet de construire une fonction de récompense efficace dans un PDM. / Imitation from observation (IfO) is a learning paradigm that consists of training autonomous agents in a Markov Decision Process (MDP) by observing an expert's demonstrations and without access to its actions. These demonstrations could be sequences of environment states or raw visual observations of the environment. Although the setting using low-dimensional states has allowed obtaining convincing results with recent approaches, the use of visual observations remains an important challenge in IfO. One of the most common procedures adopted to solve the IfO problem is to learn a reward function from the demonstrations, but the need to understand the environment and the expert's moves through videos to appropriately reward the learning agent increases the complexity of the problem. We approach this problem with a method that focuses on the representation of the agent’s behaviors in a latent space using demonstrative videos. Our approach exploits recent techniques of contrastive learning of image and video and uses a bootstrapping algorithm to progressively train a trajectory encoding function from the variation of the agent’s policy. Simultaneously, this function rewards the imitating agent through a Reinforcement Learning (RL) algorithm. Our method uses a limited number of demonstrative videos and we do not have access to any expert policy. Our imitating agents in experiments show convincing performances on a set of control tasks and demonstrate that learning a behavior encoding function from videos allows for building an efficient reward function in MDP.

En informatique, la résolution de problèmes NP-difficiles en un temps raisonnable est d’une grande importance : optimisation de la chaîne d’approvisionnement, planification, routage, alignement de séquences biologiques multiples, inference dans les modèles graphiques pro- babilistes, et même certains problèmes de cryptographie sont tous des examples de la classe NP-complet. En pratique, nous modélisons beaucoup d’entre eux comme un problème d’op- timisation en nombre entier, que nous résolvons à l’aide de la méthodologie séparation et évaluation. Un algorithme de ce style divise un espace de recherche pour l’explorer récursi- vement (séparation), et obtient des bornes d’optimalité en résolvant des relaxations linéaires sur les sous-espaces (évaluation). Pour spécifier un algorithme, il faut définir plusieurs pa- ramètres, tel que la manière d’explorer les espaces de recherche, de diviser une recherche l’espace une fois exploré, ou de renforcer les relaxations linéaires. Ces politiques peuvent influencer considérablement la performance de résolution. Ce travail se concentre sur une nouvelle manière de dériver politique de recherche, c’est à dire le choix du prochain sous-espace à séparer étant donné une partition en cours, en nous servant de l’apprentissage automatique profond. Premièrement, nous collectons des données résumant, sur une collection de problèmes donnés, quels sous-espaces contiennent l’optimum et quels ne le contiennent pas. En représentant ces sous-espaces sous forme de graphes bipartis qui capturent leurs caractéristiques, nous entraînons un réseau de neurones graphiques à déterminer la probabilité qu’un sous-espace contienne la solution optimale par apprentissage supervisé. Le choix d’un tel modèle est particulièrement utile car il peut s’adapter à des problèmes de différente taille sans modifications. Nous montrons que notre approche bat celle de nos concurrents, consistant à des modèles d’apprentissage automatique plus simples entraînés à partir des statistiques du solveur, ainsi que la politique par défaut de SCIP, un solveur open-source compétitif, sur trois familles NP-dures: des problèmes de recherche de stables de taille maximum, de flots de réseau multicommodité à charge fixe, et de satisfiabilité maximum. / In computer science, solving NP-hard problems in a reasonable time is of great importance, such as in supply chain optimization, scheduling, routing, multiple biological sequence align- ment, inference in probabilistic graphical models, and even some problems in cryptography. In practice, we model many of them as a mixed integer linear optimization problem, which we solve using the branch and bound framework. An algorithm of this style divides a search space to explore it recursively (branch) and obtains optimality bounds by solving linear relaxations in such sub-spaces (bound). To specify an algorithm, one must set several pa- rameters, such as how to explore search spaces, how to divide a search space once it has been explored, or how to tighten these linear relaxations. These policies can significantly influence resolution performance. This work focuses on a novel method for deriving a search policy, that is, a rule for select- ing the next sub-space to explore given a current partitioning, using deep machine learning. First, we collect data summarizing which subspaces contain the optimum, and which do not. By representing these sub-spaces as bipartite graphs encoding their characteristics, we train a graph neural network to determine the probability that a subspace contains the optimal so- lution by supervised learning. The choice of such design is particularly useful as the machine learning model can automatically adapt to problems of different sizes without modifications. We show that our approach beats the one of our competitors, consisting of simpler machine learning models trained from solver statistics, as well as the default policy of SCIP, a state- of-the-art open-source solver, on three NP-hard benchmarks: generalized independent set, fixed-charge multicommodity network flow, and maximum satisfiability problems.

In der vorliegenden Dissertation wurde ein datengetriebenes Verfahren zum maschinellen Lernen von Mensch-Roboter Interaktionen auf Basis von Mensch-Mensch Demonstrationen entwickelt. Während einer Trainingsphase werden Bewegungen zweier Interakteure mittels Motion Capture erfasst und in einem Zwei-Personen Interaktionsmodell gelernt. Zur Laufzeit wird das Modell sowohl zur Erkennung von Bewegungen des menschlichen Interaktionspartners als auch zur Generierung angepasster Roboterbewegungen eingesetzt. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird in drei komplexen Anwendungen evaluiert, die jeweils kontinuierliche Bewegungskoordination zwischen Mensch und Roboter erfordern. Das Ergebnis der Dissertation ist ein Lernverfahren, das intuitive, zielgerichtete und sichere Kollaboration mit Robotern ermöglicht.

Un problème récurrent dans le domaine de la robotique est la difficulté à reproduire les résultats et valider les affirmations faites par les scientifiques. Les expériences conduites en laboratoire donnent fréquemment des résultats propres à l'environnement dans lequel elles ont été effectuées, rendant la tâche de les reproduire et de les valider ardues et coûteuses. Pour cette raison, il est difficile de comparer la performance et la robustesse de différents contrôleurs robotiques. Les environnements substituts à faibles coûts sont populaires, mais introduisent une réduction de performance lorsque l'environnement cible est enfin utilisé. Ce mémoire présente nos travaux sur l'amélioration des références et de la comparaison d'algorithmes (``Benchmarking'') en robotique, notamment dans le domaine de la conduite autonome. Nous présentons une nouvelle platforme, les Autolabs Duckietown, qui permet aux chercheurs d'évaluer des algorithmes de conduite autonome sur des tâches, du matériel et un environnement standardisé à faible coût. La plateforme offre également un environnement virtuel afin d'avoir facilement accès à une quantité illimitée de données annotées. Nous utilisons la plateforme pour analyser les différences entre la simulation et la réalité en ce qui concerne la prédictivité de la simulation ainsi que la qualité des images générées. Nous fournissons deux métriques pour quantifier l'utilité d'une simulation et nous démontrons de quelles façons elles peuvent être utilisées afin d'optimiser un environnement proxy. / A common problem in robotics is reproducing results and claims made by researchers. The experiments done in robotics laboratories typically yield results that are specific to a complex setup and difficult or costly to reproduce and validate in other contexts. For this reason, it is arduous to compare the performance and robustness of various robotic controllers. Low-cost reproductions of physical environments are popular but induce a performance reduction when transferred to the target domain. This thesis present the results of our work toward improving benchmarking in robotics, specifically for autonomous driving. We build a new platform, the Duckietown Autolabs, which allow researchers to evaluate autonomous driving algorithms in a standardized framework on low-cost hardware. The platform offers a simulated environment for easy access to annotated data and parallel evaluation of driving solutions in customizable environments. We use the platform to analyze the discrepancy between simulation and reality in the case of predictivity and quality of data generated. We supply two metrics to quantify the usefulness of a simulation and demonstrate how they can be used to optimize the value of a proxy environment.