PDF문서lecture2.pdf

닫기

background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Robot Learning

2. Numerical Method

Jeong-Yean Yang

2020/10/22

1


background image

T&C LAB-AI

Numerical Method
1. Equation Solver
2. Multiple Nonlinear Equation
3. Linear Regression
4. Nonlinear Regression
5. Stochastic Regression (RANSAC)
6. Optimization

0

2


background image

T&C LAB-AI

Deterministic Vs. Stochastic Method

First Start with Numerical Methods

1

3


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Deterministic Vs. Stochastic World

• Deterministic World

– Everything must be determined. 
– Everything is Understood by Modeling
– Manipulator-based Robotics, PID or even Robust Control
– Pseudo code :  

• Stochastic World

– Everything is PROBABILISTICALLY determined
– Every phenomenon occurs by Probabilistic Results
– Autonomous locomotion(SLAM), Learning, and so on
– Pseudo code: 

4

2

2

1

1

3

(3,

)

exp

2

2

x

a

N



3

Equality “=“ is 

NOT allowed.


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Why we learn first Deterministic Method?

• Some methods look like Non-Deterministic Problem.
• Fitting, Regression, Control

• Ex) Control tries to be in the desired goal in spite of 

unnecessary system dynamics, Is it probabilistic?

• Absolutely, Not.  

5

Regression

Curve fitting

Control


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Many Deterministic Methods are based 

on Mathematical Model

• Controller is well designed to OVERCOME marginal 

error  Deterministic method

• Fitting or Regression is to Minimize Errors 

Deterministic Method

• Then, What is Stochastic Process? 

– Probabilistically,  next state is determined.

• 1.Many Deterministic Methods are applied to 

Learning Methods

• 2. We learn the differences of 

Deterministic and Stochastic Methods.

6


background image

T&C LAB-AI

Numerical Methods for 
Solving Equation, f(x)=0

2

7


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Numerical Method:

The goal is to find the solution

• Analytical Solution

• Numerical Solution( or Computational Solution) 
• Solve 2a=3 equation by using computer program

8

2

3

1.5

a

a

 

: 2

3

: ( )

2

3

Equation

a

Function f a

a

   

  ( )

2

3

0 ?

How to find f a

a

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Numerical Method 

Solve Equation(or Finding Roots)

• Solve Equation

– Equation: f(x,y,s,t) = 0

• How to solve it by Numerical Method?

• Iteratively, find a solution by a Computer

9

Iteration


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Why Numerical Methods are Required?

• 1. Equations are Complex

– Remind Robot Kinematics or Dynamics are very complex
– Generally, we CANNOT solve it by analytical methods

• 2. We learn Convergence by Iterative Methods

– Iteration: In Each turn, a method moves to the solution
– Convergence or Divergence Problem
– Dynamic Programming: Learning, Control, Numerical 

Methods, etc.

10

2

2

2

2

1 1

2 1

2 2

2 1 2 2

2 2

2 1 2 2

1

2

2

2 2

2 1 2 2

2 2

2

1 1 1

2

2 12

1 1

2 1 2

1

2

2

2

2

2 2 12

2 1 2 1

2

2

(

)

(2

)

                                              

m l

m l

m l

m l l c

m l

m l l c

m l

m l l c

m l

m l c

m l c

l c

m l l

s

g

m l c

m l l

s

 

 

 

 

0


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Numerical Method: 1. 

Bisection Method 

11

Algorithm

1. Start with two points

Assume 

2. Find  mid point

L

s

R

x

x

x

2

L

R

m

x

x

x

( )

f x

(

) (

)

0

L

R

f x

f x

(

) (

)

0 :

'

(

) (

)

0 :

'

m

L

m

R

m

R

m

L

f x

f x

x

x

f x

f x

x

x

sin

0

x

0

1

2

3

4

5

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

x

y

xsin(x)

0

5

10

15

20

0

0.5

1

1.5

iteration

|e

|

• See test1.m


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

12

L

x

R

x

1st turn

2

L

R

m

x

x

x

m

x

Question: Xm is left or Right?

L

x

R

x

m

x

(

)

L

f x

(

)

m

f x

(

)

R

f x

(

) (

)

0

L

R

f x

f x

Solution, X is always between

XL<X<XR

Thus, Xm will be left or right

  (

) (

)

0,  new 

  (

) (

)

0,  new 

L

m

R

m

R

m

L

m

if f x

f x

x

x

if f x

f x

x

x

L

m

x

x


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Convergence

• Modeling it as you have Learned in other classes

13

2

L

R

m

x

x

x

1

x

2

x

3

x

4

x

5

x

1

2

3

4

,

,

,

,.....

n

x x x x

x

1

2

1

2

3

2

| e | |

|

| e | |

|

...

x

x

x

x

2

1

3

2

|

|

|

|

2

x

x

x

x

 

1

1

2

2

1

1

1

2

1

2

1

1

1

|

|

|

|

|

|

|

| |

|

...

2

4

2

|

|

1

lim |

| lim

|

| lim

0

2

2

lim |

| 0

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

e

x

x

x

x

e

x

x

e









| e | |

|

L

R

x

x


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Bisection Method is Too Slow

14

1/2

1/2

1/2

• If  the initial XL or XR is too far from a solution, ½  is 

NOT so Fast!

• How can we speed up?

– Ratio of a Function is better than 1/2 .


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Numerical Method: 2.Secant Method 

• See test2.m

15

( )

f x

Algorithm

1. Start with two points

2. Find  mid point

(

)

(

)

(

)

(

)

0

R

L

L

L

R

L

f x

f x

y

x

x

f x

x

x

L

x

R

x

(

)

(

)

(

)

(

)

0

R

L

m

L

L

R

L

f x

f x

x

x

f x

x

x

0

1

2

3

4

5

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

x

y

xsin(x)

1

2

3

4

5

6

0

0.5

1

1.5

2

2.5

iteration

|e

|


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Why Secant Method is Faster than 

Bisection Method?

• Focus on a new Mid point.

• Function Ratio is good for faster convergence.
• What does the Function Ratio remind us of? 

16

(

)

(

)

(

)

(

)

0

R

L

L

L

R

L

f x

f x

y

x

x

f x

x

x

Differentiation!


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Example) l2bisect and l2secant

ex/ml/l2bisect and ex/ml/l2secant

17

import l2bisect

l2bisect.test(1,4)

import l2secant

l2secant.test(1,4)


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

ex/ml/l2bisect and ex/ml/l2secant

18


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

HW1) Find the Solution X 

with Bisection and Secant Methods 

• Given Equation x*sin(x)+x^2*cos(x)=0
• Condition 0<x<10
• Find all solution, x within the range [0,10]

19

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-100

-50

0

50


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Numerical Method: 

3. Newton-Raphson (NR) Method

• See test3.m

20

( )

f x

Algorithm

1. Start with one point( a GUESS value)

2. Find  a new point

'(

)(

)

(

)

0

n

n

n

y

f x

x

x

f x

1

1

'(

)(

)

(

)

0

(

)

'(

)

n

n

n

n

n

n

n

n

f x

x

x

f x

f x

x

x

f x

 

0

1

2

3

4

5

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

x

y

xsin(x)

1

2

3

4

5

0

2

4

6

8

10

12

iteration

|e

|


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Example) Newton-Raphson

ex/ml/l2nr

21

import l2nr

l2nr.test(0.1)

import l2nr

l2nr.test(2.3)


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Comparison Three Cases

22

2

L

R

m

x

x

x

1

(

)

'(

)

n

n

n

n

f x

x

x

f x

  

(

)

(

)

(

)

L

m

L

R

L

R

L

f x

x

x

f x

f x

x

x

 

Bisection

Secant

Newton-Raphson

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

iteration

|e

|

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

iteration

|e

|

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

iteration

|e

|

Exponentially Converged

Good for convergence:

-Stable 

-Continuous and smooth 

convergence but Slow

Using Ratio = Linearization

Many Nonlinear problems 

are approximated for 

linearity.

Using Ratio = Linearized 

method with Differentiation

- Fast

- But, initial guess is 

important for stability


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Solution Analysis

• Bisection Method

– Is it Bad?
– Exponentially Converged  Stable

• Secant Method(Faster)

• NR Method(much Faster)

– Sometimes, it becomes very unstable.

23

|

| 2

k

n

e

(

)

(

)

(

)

L

m

L

R

L

R

L

f x

x

x

f x

f x

x

x

 

(

)

(

)

 

0,     

.

R

L

R

L

f x

f x

if

it fails

x

x

1

(

)

'(

)

n

n

n

n

f x

x

x

f x

  

  '(

)

0,     

.

n

if f x

it fails


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

HW2)N-R method

How we get solution x= 6.28318?

• Hint: Change your 

initial guess

24


background image

T&C LAB-AI

Numerical Methods for
Multiple Equations

f(x,y)=0 and g(x,y)=0

3

25

2

2

2

2

1 1

2 1

2 2

2 1 2 2

2 2

2 1 2 2

1

2

2

2 2

2 1 2 2

2 2

2

1 1 1

2

2 12

1 1

2 1 2

1

2

2 2

2

2 2 12

2 1 2 1

2

2

(

)

(2

)

                                              

m l

m l

m l

m l l c

m l

m l l c

m l

m l l c

m l

m l c

m l c

l c

m l l

s

g

m l c

m l l

s

 

 

 

 

0

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

( ,

, ,

, ,

)

0

g( ,

, ,

, ,

)

0

f

     

     


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Multi Dimension Equation

• 1 Dim. Problem

– Solve x with f(x)=0

• 2 Dim. Problem

– Solve vector x

26

1

(

)

 , Iteration

'(

)

n

n

n

n

f x

x

x

f x

  

n

s

x

x

 

( , )

0

( , )

0

f x y

g x y

2

2

( , )

3

0

( , )

1

0

f x y

x

y

g x y

x

y

 

   

Ex)

1

1

1

1

( , y)

ˆ

,   

( , )

(

)

ˆ

ˆ

ˆ

 , Iteration       

'(

)

n

n

n

n

n

n

n

s

n

x

f x

X

F

y

g x y

F x

X

X

X

X

F x

 

Matrix  and Vector


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Multi Dim. NR uses Matrix 

27

1

1

1

1

( , y)

(

)

ˆ

ˆ

ˆ

,   

          

 

( , )

'(

)

n

n

n

n

n

n

n

x

f x

F x

X

F

X

X

y

g x

F x

y

 

Matrix has NO DIVISION.

'(

)(

)

(

)

0

n

n

n

y

f x

x

x

f x

1

1

'(

)(

)

(

)

0

(

)

'(

)

n

n

n

n

n

n

n

n

f x

x

x

f x

f x

x

x

f x

 

 

 

1

1

1

1

1

1

1

ˆ ˆ

ˆ

ˆ

'(

)

0

ˆ ˆ

ˆ

ˆ

'(

)

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

'

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

'

ˆ

ˆ

          

n

n

n

n

n

n

n

n

n

F X

X

F

F X

X

F

X

X

F

F

X

X

F

F

X

J F

 

 

 

Jacobian Matrix

Remind that Multi Dim. NR requires,

- Matrix calculation

- Differentiation  Jacobian Matrix

- Division  Inverse matrix


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Another Derivation:

NR Method for Non-Linear Equations

• Non linear Equations, f(x,y)=0 , g(x,y)=0

– Solve x,y

• Define F(x,y)

• Taylor series( or Differentiation)

• Remind F(x,y)=0

28

( , )

( , )

( , )

f x y

F x y

g x y

 

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

(

)

( )

( )

ˆ

ˆ

ˆ

(

)

( )

i

i

i

j

i

i

j

j

F

F x

h

F x

h

F x

J h

x

F x

h

F x

Jh

 

1

1

1

ˆ

ˆ

ˆ

(

)

0

( )

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

             

k

k

k

F x

h

F x

Jh

h

J F

x

x

h

x

J F

 

  

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Example) nlnr.m

• X0=3, y0=1

29

2

2

10

5

f

x

y

g

xy

2

2

( , g)

( , )

f

f

x

y

x

y

f

J

g

g

y

x

x y

x

y

 

 

1

1

1

ˆ

ˆ

'

ˆ

ˆ

'

f

h

J F

J

g

x

x

x

f

X

h

J

y

y

y

g

 

 

 

 

 

   

 

 

 

   

 

 

   

 

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Non-Linear Newtown-Raphson Method

• See l2nlnr

30

Error becomes 3.9 e-30


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

2DOF SCARA Robot Inverse Kinematics Solver 

with Nonlinear NR Method

ex/ml/l2nrscara

• Forward Kinematics( See Robotics Lecture4, pp.20)

• When x,y are given, 

– X = 8.1603
– Y= 5.7139 

• Question: What are q1, q2 ?
• Solve it with Nonlinear Newton Raphson Method

31

1

1

2

1

2

1

1

2

1

2

cos( )

cos(

)

sin( )

sin(

)

x

l

l

y

l

l

 

 

L1 = L2= 5

HW 3


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Inverse Kinematics in Robotics

• In recent years, Most robots solve IK with Nonlinear 

Newtown-Raphson Method

32


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Many Cooperative Robots do NOT have

Analytical Inverse Kinematics

Nonlinear Newton-Raphson Method 

(or Inverse Jacobian Method)

33


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

34