Multicore and FPGA implementations of emotional-based agent architectures

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s11227-014-1307-6.Control architectures based on Emotions are becoming promising solutions for the implementation of future robotic agents. The basic controllers of the architecture are the emotional processes that decide which behaviors of the robot must activate to fulfill the objectives. The number of emotional processes increases (hundreds of millions/s) with the complexity level of the application, reducing the processing capacity of the main processor to solve complex problems (millions of decisions in a given instant). However, the potential parallelism of the emotional processes permits their execution in parallel on FPGAs or Multicores, thus enabling slack computing in the main processor to tackle more complex dynamic problems. In this paper, an emotional architecture for mobile robotic agents is presented. The workload of the emotional processes is evaluated. Then, the main processor is extended with FPGA co-processors through Ethernet link. The FPGAs will be in charge of the execution of the emotional processes in parallel. Different Stratix FPGAs are compared to analyze their suitability to cope with the proposed mobile robotic agent applications. The applications are set up taking into account different environmental conditions, robot dynamics and emotional states. Moreover, the applications are run also on Multicore processors to compare their performance in relation to the FPGAs. Experimental results show that Stratix IV FPGA increases the performance in about one order of magnitude over the main processor and solves all the considered problems. Quad-Core increases the performance in 3.64 times, allowing to tackle about 89 % of the considered problems. Quad-Core has a lower cost than a Stratix IV, so more adequate solution but not for the most complex application. Stratix III could be applied to solve problems with around the double of the requirements that the main processor could support. Finally, a Dual-Core provides slightly better performance than stratix III and it is relatively cheaper.This work was supported in part under Spanish Grant PAID/2012/325 of "Programa de Apoyo a la Investigacion y Desarrollo. Proyectos multidisciplinares", Universitat Politecnica de Valencia, Spain.Domínguez Montagud, CP.; Hassan Mohamed, H.; Crespo, A.; Albaladejo Meroño, J. (2015). Multicore and FPGA implementations of emotional-based agent architectures. Journal of Supercomputing. 71(2):479-507. https://doi.org/10.1007/s11227-014-1307-6S479507712Malfaz M, Salichs MA (2010) Using MUDs as an experimental platform for testing a decision making system for self-motivated autonomous agents. Artif Intell Simul Behav J 2(1):21–44Damiano L, Cañamero L (2010) Constructing emotions. 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Proc IEEE 100(3):571–589Salichs MA, Malfaz M (2012) A new approach to modeling emotions and their use on a decision-making system for artificial agents. Affect Comput IEEE Trans 3(1):56–68Altera Corporation (2011) Stratix III device handbook, vol 1–2, version 2.2. http://www.altera.com/literature/lit-stx3.jsp . Accessed 14 Oct 2014.Altera Corporation (2014) Stratix IV device handbook, vol 1–4, version 5.9. http://www.altera.com/literature/lit-stratix-iv.jsp . Accessed 14 Oct 2014.Naouar MW, Monmasson E, Naassani AA, Slama-Belkhodja I, Patin N (2007) FPGA-based current controllers for AC machine drives: a review. IEEE Trans Ind Electr 54(4):1907–1925Intel Corporation (2014) Desktop 4th generation Intel Core Processor Family, Desktop Intel Pentium Processor Family, and Desktop Intel Celeron Processor Family, Datasheet, vol 1, 2March JL, Sahuquillo J, Hassan H, Petit S, Duato J (2011) A new energy-aware dynamic task set partitioning algorithm for soft and hard embedded real-time systems. 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Técnicas de paralelización de código para robots basados en emociones

[ES] Las arquitecturas de control basadas en emociones se están convirtiendo en una de las soluciones más prometedoras a la hora de implementar los sistemas de los robots. Los encargados de controlar estos sistemas son los procesos emocionales, que sirven de guía para el robot a la hora tomar una decisión sobre qué comportamientos se han de activar para completar sus objetivos. El número de estos procesos emocionales se incrementa en gran medida conforme lo hace la complejidad del problema, haciendo que la capacidad de cálculo de un procesador de un solo núcleo no sea suficiente para este trabajo. Por suerte, estos sistemas son altamente paralelizables y por lo tanto se puede incrementar la capacidad de cálculo del equipo en gran medida empleando técnicas de paralelización. En este TFG vamos a emplear distintas técnicas de paralelización con el objetivo de acelerar el cálculo de las emociones que determinarán el comportamiento de los robots. Para cumplir este objetivo utilizaremos y compararemos Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU) con procesadores de múltiples núcleos y con el uso de instrucciones SIMD (Single Instruction Multiple Data).[EN] Control architectures based on emotions are becoming promising solutions for the implementation of future robotic systems. The basic controllers of this architecture are the emotional processes that decide which behaviors the robot must activate to fulfill the objectives. The number of emotional processes increases (hundreds of millions/s) with the complexity level of the application, limiting the processing capacity of the main processor to solve the complex problems. Fortunately, the potential parallelism of emotional processes permits their execution in parallel, hence enabling the power computing to tackle the complex dynamic problems. In this paper, Graphic Processing Unit (GPU), multicore processors and single instruction multiple data (SIMD) instructions are used to provide parallelism for the emotional processes.Almenar Pedros, F. (2014). Técnicas de paralelización de código para robots basados en emociones. http://hdl.handle.net/10251/48385.TFG

Arquitectura de Agente Emocional para Aplicaciones de Control en Tiempo Real

Tesis por compendioArtificial agents are a technology suitable for solving problems. Agents can perform tasks that their users cannot and/or do not want to accomplish. Agents are systems with a significant degree of autonomy. Even being autonomous in their behavior, they assume the users' goals as their own goals, because there is an agreement between the agent and the user. It is a powerful technology, and the research on this field is very active. As agents are complex systems, it is necessary to define development frameworks that facilitate their conception, design and construction. We name these frameworks, artificial agent architectures. Each architecture is characterized by a few key ideas related to the way the agent represents its knowledge about the world, and how it organizes its behavior. We call these key ideas a paradigm. In this work, an artificial agent's architecture is proposed. In this architecture the organization of the behavior is emotionally driven. It is a bio-inspired architecture. The emotion in this case, however, is a very simplified version of the emotional process in the natural emotional agents. Although other agent architectures based on emotions have been proposed, they have been usually focused on the social skills of the agents, normally to interact with people. This situation could have been caused due to the knowledge we had about the importance of the emotion in the social relations between human beings, when people recognize the internal state of the others, or show their own internal states, and the emotional communication influences their behavior. However, the fundamental role of the emotion in a wide range of cognitive processes is being recognized because of the recent research in psychology and neuroscience. Emotions seem to make an essential contribution in processes such as perception, learning, memory, decision-making and problem solving. Deliberative rational thoughts themselves would be directed by emotions. Given this new view about the emotion, in this thesis, we have investigated the role of the emotions in the cognitive processes of an artificial agent, related them to the general decision making problem, not just the social interaction problem. As an example, in the application considered as a case study in this project, the emotional agent controls a mobile robot platform, in which there is not an important behavior layer of social interaction, and the emotional processes primarily motivate behaviors related to problems in a physical environment, with objects, parts, or areas of operation and navigation. In this thesis, we have defined a specification for the proposed emotional agent architecture, and have discussed the implementation aspects of it.Los agentes artificiales constituyen una tecnología de apoyo para la resolución de problemas. Un agente es un sistema con un grado significativo de autonomía, lo que le permite descargar a su usuario de tareas que éste no puede o no quiere realizar. Aun siendo autónomo en sus comportamientos, el agente asume los objetivos de su usuario como propios, ya que existe un contrato entre el agente y su representado. Se trata de una tecnología potente y que interesa desarrollar, con lo que el área de investigación en agentes está abierta y hay un esfuerzo continuo para construir agentes con cada vez mejores prestaciones. Siendo los agentes sistemas complejos, resulta necesario definir marcos de desarrollo que permitan concebirlos, diseñarlos y construirlos. Conocemos a estos marcos como arquitecturas de agentes artificiales. Cada una de estas arquitecturas se caracteriza por ciertas ideas clave, relacionadas con la forma en que el agente representa su conocimiento y organiza su comportamiento, en lo que se denomina un paradigma. Sin duda, queda mucho recorrido en este campo - ampliando por ejemplo las áreas de aplicación, o permitiendo funcionalidades adicionales, o aumentando la eficiencia de los procesos implicados, tanto en lo relativo al comportamiento del agente cuando éste está en explotación, como durante el propio proceso de construcción y validación del sistema. En este trabajo se propone una arquitectura de agente artificial en el que la organización del comportamiento está dirigida por un proceso emocional. Se trata de una arquitectura bio-inspirada. La emoción en este caso, sin embargo, es una versión muy simplificada del proceso emocional en los agentes emocionales naturales. Aunque se han definido otras arquitecturas de agentes artificiales basadas en emociones, han sido enfocadas, sobre todo, a construir agentes con habilidades sociales; normalmente para interactuar con las personas. Posiblemente esto ha sido debido a que ya hace mucho que se aceptaba la importancia de la emoción en las relaciones sociales entre los seres humanos; cuando éstos interpretan el estado interno de los demás o expresan su propio estado, alterando con ello sus comportamientos. Sin embargo, el papel fundamental de la emoción en un amplio espectro de procesos cognitivos está siendo reconocido a raíz de la investigación en psicología y neurología. Las emociones parecen contribuir de forma esencial en procesos como la percepción, el aprendizaje, la memoria, la toma de decisiones o la resolución de problemas. El propio pensamiento deliberativo racional estaría dirigido por las emociones. Teniendo en cuenta esta nueva visión de las emociones, en este trabajo se ha investigado el rol de la emoción en los procesos cognitivos de un agente artificial relacionados con la toma de decisiones en general, no sólo en lo relativo a los procesos de interrelación social. Así por ejemplo, en la aplicación considerada como caso de estudio de este trabajo, el agente emocional controla una plataforma de robot móvil de servicio, en la que no hay una capa de comportamiento social importante, y donde los procesos emocionales motivan fundamentalmente los comportamientos relacionados con problemas surgidos en un entorno físico, con objetos, piezas, o espacios de operación y navegación. En esta tesis se define una especificación para la arquitectura de agente emocional artificial propuesta y se discute aspectos de implementación de dicha arquitectura.Els agents artificials constitueixen una tecnologia de suport per a la resolució de problemes. Un agent és un sistema amb un grau significatiu d'autonomia, el que li permet descarregar al seu usuari de tasques que aquest no pot o no vol fer. Fins i tot sent autònom en els seus comportaments, l'agent assumeix els objectius del seu usuari com a propis, ja que hi ha un contracte entre l'agent i el seu representat. Es tracta d'una tecnologia potent i que interessa desenvolupar, de manera que l'àrea de recerca en agents està oberta i hi ha un esforç continu per construir agents amb cada vegada millors prestacions. Sent els agents sistemes complexos, resulta necessari definir marcs de desenvolupament que puguen permetre concebre'ls, dissenyar-los i construir-los. Coneixem a aquests marcs com arquitectures d'agents artificials. Cadascuna d'aquestes arquitectures es caracteritza per certes idees clau, relacionades amb la forma en què l'agent representa el seu coneixement i organitza el seu comportament, en el que s'anomena un paradigma. Sens dubte, queda molt de recorregut en aquest camp - ampliant les àrees d'aplicació, o permetent funcionalitats addicionals, o augmentant l'eficiència dels processos implicats, tant pel que fa al comportament de l'agent quan aquest està en explotació, com durant el mateix procés de construcció i validació del sistema. En aquest treball es proposa una arquitectura d'agent artificial en què l'organització del comportament està dirigida per un procés emocional. Es tracta d'una arquitectura bio-inspirada. L'emoció en aquest cas, però, és una versió molt simplificada del procés emocional en els agents emocionals naturals. Tot i que s'han definit altres arquitectures d'agents artificials basades en emocions, han estat enfocades, sobretot, a construir agents amb habilitats socials; normalment per interactuar amb les persones. Possiblement això ha segut perquè ja fa molt que s'acceptava la importància de l'emoció en les relacions socials entre els éssers humans; quan aquests interpreten l'estat intern dels altres o expressen el seu propi estat, alterant amb això els seus comportaments. No obstant això, el paper fonamental de l'emoció en un ampli espectre de processos cognitius està sent reconegut arran de la investigació en psicologia i neurologia. Les emocions semblen contribuir de forma essencial en processos com la percepció, l'aprenentatge, la memòria, la presa de decisions o la resolució de problemes. El mateix pensament deliberatiu racional estaria dirigit per les emocions. Tenint en compte aquesta nova visió de les emocions, en aquest treball s'ha investigat el paper de l'emoció en els processos cognitius d'un agent artificial relacionats amb la presa de decisions en general, no només pel que fa als processos d'interrelació social. Així per exemple, en l'aplicació considerada com a cas d'estudi d'aquest treball, l'agent emocional controla una plataforma de robot mòbil de servei, en què no hi ha una capa de comportament social important, i on els processos emocionals motiven fonamentalment els comportaments relacionats amb problemes sorgits en un entorn físic, amb objectes, peces, o espais d'operació i navegació. En aquesta tesi es defineix una especificació per a l'arquitectura d'agent emocional artificial proposta i es discuteixen aspectes d'implementació de la arquitectura.Domínguez Montagud, CP. (2017). Arquitectura de Agente Emocional para Aplicaciones de Control en Tiempo Real [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86223TESISCompendi