Gerçek zamanlı bir uygulama ile tip-2 bulanık mantık tabanlı dilsel kovalama strateji tasarımı

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.