Wprowadzenie do robotyki roju

Interakcja, zrozumienie, a następnie reagowanie na sytuację to jedne z największych cech ludzi i to właśnie one czynią nas tym, czym jesteśmy. Urodziliśmy się, aby żyć w społeczeństwie społecznym i zawsze wiedzieliśmy o nas, że jesteśmy najlepiej wychowaną istotą społeczną, jaką znamy od czasu stworzenia tej planety.

Kultura społeczna i wzajemne interakcje, które pomagają osiągnąć wspólny cel, występują nie tylko u ludzi, ale także u innych gatunków tej planety, takich jak stado ptaków, ryb lub pszczół, wszystko to łączy jedno, co ich łączy. zachowanie zbiorowe. Kiedy ptaki migrują, często się to widzi, że znajdują się w grupie, którą kieruje główny członek swojej grupy i wszyscy podążają za nimi, a ich grupa jest zaprojektowana w określonych kształtach geometrycznych, mimo że ptaki nie mają wyczucia kształtów i figur i również grupa jest tak skonstruowana, że ​​starsi członkowie grupy znajdują się na granicach, podczas gdy młodzi lub noworodki są w centrum.

Te same cechy występują u mrówek ognistych, te mrówki różnią się nieco od innych mrówek i są szczególnie znane z zachowania grupowego, budują razem, jedzą razem i wspólnie bronią swoich kolonii przed ofiarami, w zasadzie wiedzą mogą osiągnąć więcej, gdy są w grupie. Niedawno prowadzono badania nad zachowaniem grupowym tych mrówek, w których stwierdzono, że są one zdolne do tworzenia mocnych konstrukcji w razie potrzeby, na przykład w razie potrzeby do stworzenia małego mostu prowadzącego do skrzyżowania.

Zbiorowe zachowanie tych zwierząt społecznych i owadów pomaga im osiągnąć więcej pomimo wszystkich swoich ograniczeń. Badacze wykazali, że osoby z tych grup nie potrzebują żadnej reprezentacji ani zaawansowanej wiedzy, aby wytworzyć tak złożone zachowania. W przypadku owadów społecznych, zwierząt i ptaków osobniki nie są informowane o globalnym statusie kolonii. Wiedza o roju jest rozprowadzana po wszystkich agentach, gdzie jednostka nie jest w stanie wykonać swojego zadania bez reszty roju. A co, jeśli to zbiorowe wykrywanie można wprowadzić do grupy robotów? Tym właśnie jest robotyka roju, o czym szczegółowo dowiemy się w tym artykule .

Roboty jako część roju

Nasze środowisko, w którym żyjemy, jest dla nas bardzo inspirujące, wielu z nas czerpie inspirację do swojej pracy z natury i środowiska, znani wynalazcy, tacy jak Leonardo da Vinci, zrobili to bardzo dobrze i widać to w jego projektach w dzisiejszym świecie. wykonują również ten sam proces dla nas, aby rozwiązać problemy projektowe i inżynieryjne, takie jak dziób pociągu pocisków są inspirowane dziobem zimorodka, dzięki czemu ma większą prędkość i jest bardziej energooszczędny oraz wytwarza stosunkowo mniej hałasu podczas przejazdu tunele i jest na to ukuty termin znany jako Biomimikra.

Tak więc, aby rozwiązać złożone zadania, w których interwencja człowieka jest trudna i ma większą złożoność tego, co musi być czymś więcej niż zwykłym robotem, jak w przypadku niektórych zastosowań, w których budynek zawala się z powodu trzęsienia ziemi, a ludzie są przygnębieni pod betonem, z pewnością ten problem wymaga jakiegoś robota, który może wykonywać wiele zadań jednocześnie i na tyle mały, aby przejść przez beton i pomaga uzyskać informacje o ludzkiej egzystencji w pierwszej kolejności, więc co przychodzi na myśl, grupa małych robotów, które są małe wystarczająco i autonomicznie tworzą swój własny sposób i zdobywają informacje, a to z pewnością naśladuje pewnego rodzaju rój owadów lub much, a zatem robotyka roju zajmuje pierwsze miejsce, a oto bardziej formalna. Robotyka rojuto dziedzina multirobotyki, w której duża liczba robotów jest koordynowana w sposób rozproszony i zdecentralizowany. opiera się na lokalnych zasadach, małych prostych robotach inspirowanych zbiorowym zachowaniem się owadów społecznych, dzięki czemu duża liczba prostych robotów może wykonać złożone zadanie w bardziej efektywny sposób niż pojedynczy robot, dając grupie solidność i elastyczność.

Organizacje i grupy wyłaniają się z interakcji między jednostkami oraz między jednostkami a otaczającym środowiskiem, interakcje te są rozproszone po całej kolonii, dzięki czemu kolonia może rozwiązywać zadania, które są trudne do rozwiązania przez jedną osobę, co oznacza pracę w kierunku wspólnego celu.

Inspiracja Swarm Robotics z Social Insects

Systemy multi-robotów zachowują niektóre cechy owadów społecznych, takie jak wytrzymałość, rój robotów może działać, nawet jeśli niektóre osoby zawiodą lub występują zakłócenia w otaczającym środowisku; elastyczność, rój jest w stanie tworzyć różne rozwiązania dla różnych zadań i jest w stanie zmienić każdą rolę robota w zależności od potrzeby. Skalowalność, rój robotów jest w stanie pracować w grupach o różnej wielkości, od kilku osób do tysięcy.

Charakterystyka roju robotów

Jak wspomniano, prosty rój robotów uzyskuje cechy charakterystyczne dla owadów społecznych, które są wymienione poniżej

1. Rój robotów musi być autonomiczny oraz zdolny do wyczuwania i działania w rzeczywistym środowisku.

2. Liczba robotów w roju musi być wystarczająco duża, aby wspierać każde ich zadanie jako grupę, którą mają wykonać.

3. W roju powinna być jednorodność, w roju mogą być różne grupy, ale nie powinno ich być zbyt wiele.

4. Jeden robot z roju musi być niezdolny i nieefektywny w stosunku do swojego głównego celu, to znaczy musi współpracować, aby odnieść sukces i poprawić wydajność.

5. Wszystkie roboty muszą mieć tylko lokalne możliwości wykrywania i komunikacji z sąsiednim partnerem roju, co zapewnia rozproszoną koordynację roju, a skalowalność staje się jedną z właściwości systemu.

Systemy Multi-Robotics i Swarm Robotics

Robotyka roju jest częścią systemu multi-robotycznego i jako grupa mają pewne cechy wielu osi, które definiują ich zachowanie grupowe

Rozmiar zbiorczy: Rozmiar zbiorczy to ROZMIAR-INF, który wynosi N >> 1, co jest odwrotnością do ROZMIAR-LIM, gdzie liczba robotów N jest mniejsza niż ich odpowiedni rozmiar środowiska, w którym zostały umieszczone.

Zasięg komunikacji: Zasięg komunikacji to COM-NEAR, więc roboty mogą komunikować się tylko z robotami, które są wystarczająco blisko.

Topologia komunikacji: topologia komunikacji dla robotów w roju to ogólnie TOP-GRAPH, roboty są połączone w ogólną topologię grafów.

Przepustowość komunikacji: Szerokość pasma komunikacji to BAND-MOTION, Koszt komunikacji między dwoma robotami jest taki sam, jak przenoszenie robotów między lokalizacjami.

Wspólna rekonfigurowalność: Zbiorowa rekonfiguracja to ogólnie ARR-COMM, jest to skoordynowany układ z członkami, którzy się komunikują, ale może to być również ARR-DYN, czyli układ dynamiczny, pozycje mogą się zmieniać losowo.

Zdolność procesowa: Zdolność procesowa to PROC-TME, gdzie model obliczeniowy jest odpowiednikiem maszyny tuningowej.

Skład zbiorowy: Skład zbiorowy to CMP-HOM, co oznacza, że ​​roboty są jednorodne.

Zalety systemów multi-robotycznych w porównaniu z pojedynczym robotem

• Równoległość zadań: wszyscy wiemy, że zadania mogą być rozkładalne i wszyscy jesteśmy świadomi zwinnej metody programowania, więc dzięki zastosowaniu równoległości grupy mogą sprawniej wykonywać zadanie.
• Włączanie zadań: grupa jest silniejsza niż pojedyncza i to samo dotyczy robotyki roju, gdzie grupa robotów może wykonać zadanie, które jest niemożliwe dla pojedynczego robota
• Dystrybucja w wykrywaniu: Ponieważ rój ma wspólne wykrywanie, więc ma szerszy zakres wykrywania niż zasięg pojedynczego robota.
• Dystrybucja w działaniu: grupa robotów może wykonywać różne czynności w różnych miejscach w tym samym czasie.
• Tolerancja błędów: Awaria pojedynczego robota w roju robotów w grupie nie oznacza, że ​​zadanie się nie powiedzie lub nie będzie można go wykonać.

Platformy eksperymentalne w Swarm Robotics

Istnieją różne platformy eksperymentalne wykorzystywane w robotyce roju, które obejmują wykorzystanie różnych platform eksperymentalnych i różnych symulatorów robotów do stymulowania środowiska robotyki roju bez konieczności posiadania odpowiedniego sprzętu.

1. Platformy robotyczne

Różne platformy robotyczne są wykorzystywane w różnych eksperymentach z robotami rojowymi w różnych laboratoriach

(i) Swarmbot

Zastosowane czujniki: ma różne czujniki pomagające robotowi, w tym czujniki zasięgu i kamerę.

Ruch: używa kół do poruszania się z jednego na drugie.

Opracowany przez: Został opracowany przez Rice University w USA

Opis: SwarmBot to platforma robotów typu rój opracowana do badań przez Uniwersytet Rice. Może autonomicznie pracować przez około 3 godziny na jednym ładowaniu, również te boty mają możliwość samodzielnego znajdowania się i zadokowania w stacjach ładujących umieszczonych na ścianach.

(ii) Kobot

Zastosowane czujniki: Obejmuje użycie czujnika odległości, czujników wizyjnych i kompasu.

Ruch: używa kół do ich ruchu

Opracowany przez: Został opracowany w laboratorium badawczym KOVAN na Bliskowschodnim Uniwersytecie Technicznym w Turcji.

Opis: Kobot jest specjalnie zaprojektowany do badań w robotyce roju. Składa się z kilku czujników, co czyni go doskonałą platformą do wykonywania różnych sytuacji robotów roju, takich jak ruch skoordynowany. Na jednym ładowaniu może pracować autonomicznie przez 10 godzin. Zawiera również wymienną baterię, którą należy ładować ręcznie i jest najczęściej wykorzystywana przy realizacji scenariuszy samoorganizujących się.

(iii) S-bot

Zastosowane czujniki: Wykorzystuje różne czujniki, aby rzeczy działały, takie jak czujniki światła, podczerwieni, położenia, siły, prędkości, temperatury, wilgotności, przyspieszenia i mikrofonu.

Ruch: Do swoich ruchów wykorzystuje drzewa przymocowane do podstawy.

Opracowany przez: Został opracowany przez École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Szwajcaria.

Opis: S-bot to jedna z kilku kompetentnych i znaczących platform robotów typu rój, jakie kiedykolwiek zbudowano. ma unikalny projekt chwytaka, który może chwytać przedmioty i inne s-boty. Na jednym ładowaniu mogą też ćwiczyć mniej więcej przez 1 godzinę.

(iv) Jasmine Robot

Zastosowane czujniki: wykorzystuje czujniki odległości i światła.

Opracowany przez: Został opracowany przez Uniwersytet w Stuttgarcie w Niemczech.

Ruch: wykonuje ruch na kołach.

Opis: Roboty mobilne Jasmine to platformy robotów typu rój, które są wykorzystywane w wielu badaniach robotów roju.

(v) E-Puck

Zastosowane czujniki: wykorzystuje różne czujniki, takie jak odległość, kamera, namiar, przyspieszenie i mikrofon.

Opracowane przez: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Szwajcaria

Ruch: Opiera się na ruchu koła.

Opis: E-krążek jest przeznaczony głównie do celów edukacyjnych i jest jednym z robotów odnoszących największe sukcesy. Jednak ze względu na swoją prostotę jest często stosowany również w badaniach robotyki roju. Posiada wymienne baterie o czasie pracy 2-4 godzin.

(vi) Kilobot

Zastosowane czujniki: wykorzystuje kombinację czujników odległości i światła.

Opracowane przez: Harvard University, USA

Ruch: Wykorzystuje wibracje systemu do ruchu ciała systemu.

Opis: Kilobot to stosunkowo nowa platforma robotów typu rój z unikalną funkcją ładowania grupowego i programowania grupowego. Dzięki swojej prostocie i niskiemu poborowi mocy może działać do 24 godzin. Roboty ładowane są ręcznie w grupach w specjalnej stacji ładującej.

2. Symulatory

Symulatory robotów rozwiązują problem sprzętu potrzebnego do testowania wiarygodności botów w sztucznie symulowanych parametrach środowiska rzeczywistego.

Istnieje wiele symulatorów robotów, które można wykorzystać do eksperymentów z wieloma robotami, a dokładniej do eksperymentów robotów z rojem i wszystkie z nich różnią się aspektami technicznymi, ale także licencją i kosztami. Oto niektóre z symulatorów robotów roju i platform multi-robotów:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D to symulator multi-robotyki, ale zaprojektowany specjalnie dla robota S-Bot projektu SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: Robotic studio to symulator opracowany przez Microsoft. Umożliwia symulację wielu robotów i wymaga do działania platformy Windows.
• Webots: Webots to realistyczny symulator mobilny, który umożliwia symulacje wielu robotów z już zbudowanymi modelami prawdziwych robotów. Może symulować rzeczywiste zderzenia, stosując fizykę prawdziwego świata. Jednak jego wydajność spada podczas pracy z czymś więcej niż tylko robotami, co utrudnia symulacje z dużą liczbą robotów.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo to symulator open source z możliwościami multi-robotów i szerokim zestawem dostępnych robotów i czujników gotowych do użycia. Z powodzeniem radzi sobie z symulacjami eksperymentów z rojem robotów w środowisku 2D z bardzo dobrymi wynikami. Wielkość populacji w środowisku można w czasie rzeczywistym zwiększyć do 1000 prostych robotów.

Algorytmy i techniki wykorzystywane do różnych zadań w Swarm Robotics

Tutaj zamierzamy zbadać różne techniki stosowane w robotyce roju do różnych prostych zadań, takich jak agregacja, rozproszenie itp. Zadania te są podstawowymi krokami wstępnymi dla wszystkich zaawansowanych prac w robotyce roju.

Agregacja: Agregacja to zebranie wszystkich botów razem i jest to naprawdę ważny i pierwszy krok w innych złożonych krokach, takich jak tworzenie wzorców, samoorganizacja, wymiana informacji i ruchy zbiorowe. Robot wykorzystuje swoje czujniki, takie jak czujniki zbliżeniowe i mikrofon, który wykorzystuje mechanizmy wymiany dźwięku za pomocą siłownika, np. Głośników. Czujniki pomagają pojedynczemu robotowi znaleźć najbliższego robota, który również okazuje się być centrum grupy, gdzie robot musi skoncentrować się wyłącznie na innym bocie, który jest w centrum grupy i sięgnąć do niego i na tym samym procesie po nim następują wszyscy członkowie roju, który pozwala im zsumować wszystkie.

Rozproszenie: gdy roboty są zagregowane w jednym miejscu, następnym krokiem jest rozproszenie ich w środowisku, w którym pracują jako pojedynczy członek roju, co również pomaga w eksploracji środowiska, w którym każdy robot z roju pracuje jako pojedynczy czujnik, gdy pozostaje do zbadania. Zaproponowano i zastosowano różne algorytmy do rozpraszania robotów, jedno z podejść obejmuje algorytm pola potencjalnego rozpraszania robotów, w którym roboty są odpychane przez przeszkody i inne roboty, które pozwalają środowisku roju na liniowe rozproszenie.

Jedno z innych podejść polega na rozproszeniu opartym na odczytywaniu sygnałów intensywności bezprzewodowej, sygnały natężenia bezprzewodowego pozwalają robotom rozproszyć się bez wiedzy ich najbliższych sąsiadów, po prostu wychwytują intensywności bezprzewodowe i układają je tak, aby rozproszyć je w otaczającym środowisku.

Tworzenie wzorców: Tworzenie wzorców w robotyce roju jest główną cechą ich zbiorowego zachowania, wzorce te mogą być bardzo pomocne, gdy problem ma być rozwiązany, co wymaga wspólnej pracy całej grupy. Tworząc wzór, boty tworzą globalny kształt, zmieniając część poszczególnych robotów, w której każdy bot ma tylko lokalne informacje.

Rój robotów tworzy strukturę o określonym kształcie wewnętrznym i zewnętrznym. Reguły, które powodują, że cząstka / roboty gromadzą się w pożądanej formacji, są lokalne, ale wyłania się globalny kształt, bez posiadania jakichkolwiek globalnych informacji dotyczących pojedynczego członka roju. Algorytm wykorzystuje wirtualne sprężyny między sąsiednimi cząstkami, biorąc pod uwagę liczbę sąsiadów, które mają.

Ruch zbiorowy: jakie jest znaczenie zespołu, jeśli wszyscy nie mogą razem rozwiązać problemu, a to najlepsza część roju? Ruch zbiorowy to sposób na koordynację grupy robotów i sprawienie, by poruszały się razem jako grupa w spójny sposób. Jest to podstawowy sposób wykonywania niektórych zadań zbiorowych i można go podzielić na dwa rodzaje formacji i flokowania.

Istnieje wiele metod ruchu zbiorowego, ale tylko te, które pozwalają na skalowalność przy rosnącej liczbie robotów, są przedmiotem zainteresowania, gdzie każdy robot rozpoznaje względne położenie swojego sąsiada i reaguje odpowiednimi siłami, które mogą być atrakcyjne lub odpychające, tworząc struktury dla ruchów zbiorowych.

Przydzielanie zadań: Przydział zadań to problematyczny obszar w robotyce roju na podstawie podziału pracy. Istnieją jednak różne metody podziału pracy, jedna z nich polega na tym, że każdy robot obserwowałby zadania innego robota i przechowuje historię dla tego samego, a później może zmienić własne zachowanie, aby dopasować się do zadania, ta metoda jest oparta na komunikacji plotkarskiej iz pewnością ma swoje plusy w postaci lepszej wydajności, ale jednocześnie ma wadę, że ze względu na ograniczoną odporność i utratę pakietów podczas komunikacji okazuje się mniej skalowalna. W drugiej metodzie zadania są ogłaszane przez niektóre roboty, a jednocześnie obsługuje je pewna liczba innych robotów, jest to metoda prosta i reaktywna.

Poszukiwanie źródła: Robotyka roju jest bardzo skuteczna w zadaniu poszukiwania źródła, zwłaszcza gdy źródło poszukiwań jest złożone, jak w przypadku dźwięku czy zapachu. Wyszukiwanie przez robotyki roju odbywa się na dwa sposoby, jeden jest globalny, drugi jest lokalny, a różnica między nimi polega na komunikacji. Jeden z globalną komunikacją między robotami, w której roboty są w stanie znaleźć globalne maksymalne źródło. Drugi jest ograniczony tylko do lokalnej komunikacji między robotami w celu znalezienia lokalnych maksimów.

Transport przedmiotów: Mrówki mają zbiorowy transport przedmiotów, w którym pojedyncza mrówka czeka na drugiego partnera do współpracy, jeśli przedmiot do transportu jest zbyt ciężki. W tych samych robotach światła rój sprawia, że ​​rzeczy działają w ten sam sposób, w którym każdy robot ma tę zaletę, że uzyskuje współpracę z innymi robotami w celu transportu obiektów. S-boty stanowią świetną platformę do rozwiązywania problemu transportu, w której samoorganizują się do współpracy, a ich algorytm skaluje się, jeśli transportowany obiekt ma być ciężki.

Drugą metodą jest zbiorowy transport przedmiotów, gdzie przedmioty są gromadzone i przechowywane do późniejszego transportu, tutaj roboty mają dwa różne zadania - zbieranie przedmiotów i umieszczanie ich na wózku oraz zbiorowe przemieszczanie wózka przewożącego te przedmioty.

Mapowanie zbiorowe: Mapowanie zbiorowe służy do eksploracji i tworzenia map dużych obszarów wewnętrznych przy użyciu dużej liczby robotów.

W jednej metodzie mapowanie jest wykonywane przez dwie grupy dwóch robotów, które wymieniają informacje w celu scalenia map. Druga metoda opiera się na roli, w której robot może przyjąć dowolną z dwóch ról, które poruszają się lub są punktem orientacyjnym, które mogą zamienić na ruch roju. Roboty mają również pewne oszacowanie swojej pozycji, więc muszą oszacować lokalizację innych robotów, aby zbudować zbiorczą mapę.

Rzeczywiste zastosowanie robotyki Swarm

Chociaż szeroko zakrojone badania nad robotami rojowymi rozpoczęły się około 2012 r., Aż do teraz nie wyszły z komercyjnym, rzeczywistym zastosowaniem, jest ono wykorzystywane do celów medycznych, ale nie na tak dużą skalę i nadal jest testowane. Istnieje wiele powodów, dla których ta technologia nie jest dostępna na rynku.

Projektowanie algorytmu dla indywidualnego i globalnego: zbiorowe zachowanie roju pochodzi od jednostki, która wymaga zaprojektowania pojedynczego robota i jego zachowania, a obecnie nie ma metody przejścia od zachowania jednostki do zachowania grupowego.

Testowanie i wdrażanie: Obszerne wymagania dotyczące laboratoriów i infrastruktury do dalszego rozwoju.

Analiza i modelowanie: Różne podstawowe zadania wykonywane w robotyce roju sugerują, że są one nieliniowe, a więc zbudowanie modeli matematycznych do ich pracy jest dość trudne

Oprócz tych wyzwań istnieją inne wyzwania związane z bezpieczeństwem dla jednostki i roju ze względu na ich prostą konstrukcję

(i) Fizyczne przechwytywanie robotów.

(ii) Tożsamość osoby w roju, którą robot musi wiedzieć, czy wchodzi w interakcję z robotem z roju, czy z innym rojem.

(iii) Ataki komunikacyjne na jednostkę i rój.

Głównym celem robotyki roju jest pokrycie dużego obszaru, w którym roboty mogłyby się rozproszyć i wykonać swoje zadania. Są przydatne do wykrywania niebezpiecznych zdarzeń, takich jak wycieki, miny itp., A główną zaletą rozproszonej i ruchomej sieci czujników jest to, że może wykrywać rozległy obszar, a nawet działać na niego.

Zastosowania robotyki roju są naprawdę obiecujące, ale nadal istnieje potrzeba jej rozwoju zarówno w części algorytmicznej, jak i modelarskiej.