Úvod do rojovej robotiky

Interakcie, porozumenie a následné reagovanie na situáciu sú jednými z najväčších znakov ľudí a sú to veci, ktoré z nás robia to, čím sme. Narodili sme sa preto, aby sme žili v sociálnej spoločnosti a vždy sme o nás vedeli, že sme najzachovalejšie spoločenské stvorenie známe od vzniku tejto planéty.

Sociálna kultúra a vzájomná interakcia v záujme spoločného cieľa sa nenachádzajú iba u ľudí, ale aj u iných druhov tejto planéty, ako je stádo vtákov, rýb alebo včiel. Všetky majú jednu spoločnú vec, ktorú majú kolektívne správanie. Keď vtáky migrujú, je často vidieť, že sú v skupine, ktorú vedie vedúci člen ich skupiny, a všetci ich sledujú. Ich skupina je navrhnutá v konkrétnych geometrických tvaroch napriek tomu, že vtáky nemajú zmysel pre tvary a postavy a skupina je tiež vytvorená tak, aby starší členovia skupiny boli na hranici, zatiaľ čo mladí alebo novorodenci sú v centre.

Rovnaké vlastnosti majú aj mravce, tieto mravce sa trochu líšia od ostatných druhov mravcov a sú známe najmä svojim skupinovým správaním, stavajú sa spoločne, jedia spolu a bránia svoje kolónie pred korisťou. V zásade vedia môžu dosiahnuť viac, keď sú v skupine. Nedávna štúdia prebiehala o skupinovom správaní týchto mravcov, pri ktorej sa zistilo, že sú schopné vytvárať silné štruktúry, kedykoľvek je to potrebné, napríklad keď je potrebné vytvoriť malý mostík cez kríž.

Kolektívne správanie týchto spoločenských zvierat a hmyzu im pomáha dosiahnuť viac napriek všetkým obmedzeniam. Vedci preukázali, že jednotlivci týchto skupín nepotrebujú na vytvorenie tak zložitého správania žiadne zastúpenie ani zložité znalosti. Pokiaľ ide o sociálny hmyz, zvieratá a vtáky nie sú jednotlivci informovaní o globálnom stave kolónie. Znalosti o roji sa šíria medzi všetkých agentov, kde jednotlivec nie je schopný splniť svoju úlohu bez zvyšku roja. Čo ak sa toto kolektívne snímanie dá preniesť do skupiny robotov? To je rojová robotika a podrobne sa o nej dozvieme v tomto článku .

Roboty ako súčasť roja

Naše prostredie, v ktorom žijeme, je pre nás veľmi inšpiratívne, mnohí z nás berú inšpiráciu pre svoju prácu z prírody a životného prostredia, slávni vynálezcovia ako Leonardo da Vinci to dokázali veľmi dobre a je vidieť na jeho návrhoch v dnešnom svete rovnako vyrábajú rovnaký proces pre nás pri riešení konštrukčných a technických problémov, napríklad nos guľkových vlakov je inšpirovaný zobákom kingfishera, aby mal vyššiu rýchlosť a bol energeticky efektívnejší a pri prechode prechádzal relatívne menším hlukom. tunely a je tu termín razený pre toto a jeho názov ako Biomimikria.

Takže na vyriešenie zložitých úloh, pri ktorých je ľudský zásah zložitý a má vyššiu zložitosť toho, čo musí byť viac ako len priemerný robot, ako sú určité prípady použitia, keď sa budova zrúti v dôsledku zemetrasenia a ľudia sú pod betónom v depresii, určite tento problém vyžaduje nejaký druh robota, ktorý dokáže vykonávať viac úloh naraz a je dostatočne malý na to, aby prešiel konkrétnym stavom, a pomáha získavať informácie o ľudskej existencii na prvom mieste, takže čo vás napadne, skupina malých malých robotov dosť a autonómne si vytvoriť vlastnú cestu a získať informácie a určite to napodobňuje akýsi roj hmyzu alebo múch, a teda to, kde rojová robotika prichádza na prvé miesto a tu je tá formálnejšia. Rojová robotikaje oblasť multi-robotiky, v ktorej je veľké množstvo robotov koordinovaných distribuovaným a decentralizovaným spôsobom. je to založené na použití miestnych pravidiel, malých jednoduchých robotov inšpirovaných kolektívnym správaním sociálneho hmyzu, takže veľké množstvo jednoduchých robotov dokáže prekonať zložitú úlohu efektívnejším spôsobom ako jediný robot, čo dáva skupine robustnosť a flexibilitu.

Organizácie a skupina vychádzajú z interakcií medzi jednotlivcami a medzi jednotlivcami a okolitým prostredím, tieto interakcie sú rozptýlené po celej kolónii, a tak môže kolónia riešiť úlohy, ktoré je ťažké vyriešiť jediným jedincom, čo znamená pracovať na dosiahnutí spoločného cieľa.

Ako je robot Swarm Robotics inšpirovaný spoločenským hmyzom

Multi-robotické systémy zachovávajú niektoré vlastnosti spoločenského hmyzu, ako je robustnosť, robotický roj môže fungovať, aj keď niektorý z jednotlivcov zlyhá alebo dôjde k narušeniu okolitého prostredia; flexibilita, roj je schopný vytvárať rôzne riešenia pre rôzne úlohy a je schopný meniť každú rolu robota v závislosti od potreby okamihu. Robotický roj je škálovateľný a je schopný pracovať v rôznych veľkostiach skupín, od niekoľkých jednotlivcov až po tisíce z nich.

Charakteristika robotického roja

Ako bolo uvedené, jednoduchý robotický roj získava charakteristiku spoločenského hmyzu, ktorý je uvedený nižšie

1. Roj robotov musí byť autonómny a schopný vnímať a konať v skutočnom prostredí.

2. Počet robotov v roji musí byť dostatočne veľký, aby podporoval každú ich jednotlivú úlohu ako skupinu, ktorú majú vykonávať.

3. V roji by mala byť homogenita, v roji môžu byť rôzne skupiny, nemalo by ich však byť príliš veľa.

4. Jeden robot roja musí byť neschopný a neefektívny s ohľadom na ich hlavný cieľ, to znamená, že musia spolupracovať, aby uspeli a zlepšili výkonnosť.

5. Všetci roboti musia mať iba miestne snímacie a komunikačné schopnosti so susedným partnerom roja, čo zaisťuje distribúciu koordinácie roja a škálovateľnosť sa stáva jednou z vlastností systému.

Multi-robotické systémy a robotická roja

Swarm robotics je súčasťou multi-robotického systému a ako skupina má niektoré vlastnosti pre svoje viacosé osi, ktoré definujú ich skupinové správanie

Kolektívna veľkosť: Kolektívnou veľkosťou je SIZE-INF, čo je N >> 1, čo je oproti SIZE-LIM, kde je počet N robota menší ako ich príslušná veľkosť prostredia, do ktorej sú vložení.

Komunikačný rozsah: Komunikačný rozsah je COM-NEAR, takže roboty môžu komunikovať iba s robotmi, ktoré sú dostatočne blízko.

Komunikačná topológia: Komunikačná topológia pre roboty v roji by bola všeobecne TOP-GRAF, roboty sú prepojené vo všeobecnej topológii grafov.

Šírka pásma komunikácie: Šírka pásma komunikácie je BAND-MOTION, náklady na komunikáciu medzi dvoma robotmi sú rovnaké ako pohyb robotov medzi miestami.

Kolektívna opätovná konfigurovateľnosť: Kolektívna rekonfigurovateľnosť je všeobecne ARR-COMM, ide o koordinované usporiadanie s členmi, ktorí komunikujú, ale môže to byť aj ARR-DYN, čo je dynamické usporiadanie, polohy sa môžu meniť náhodne.

Schopnosť procesu: Schopnosťou procesu je PROC-TME, kde je výpočtový model ekvivalentom ladiaceho stroja.

Kolektívne zloženie: Kolektívne zloženie je CMP-HOM, čo znamená, že roboty sú homogénne.

Výhody multi-robotických systémov v porovnaní s jedným robotom

• Paralelizmus úloh: Všetci vieme, že úlohy môžu byť rozložiteľné, a všetci sme si vedomí metódy agilného vývoja, takže použitím paralelizmu môžu skupiny umožniť efektívnejšie vykonávanie úloh.
• Povolenie úlohy: Skupina je výkonnejšia ako jedna a to isté platí aj pre robotickú roj, kde skupina robotov dokáže, aby úloha plnila určité úlohy, ktoré sú pre jedného robota nemožné.
• Distribúcia v snímaní: Pretože roj má kolektívne snímanie, má aj širší rozsah snímania ako dosah jedného robota.
• Distribúcia v akcii: Skupina robotov môže vykonávať rôzne akcie na rôznych miestach súčasne.
• Tolerancia chýb: Porucha jedného robota v roji robotov v skupine neznamená, že úloha zlyhá alebo ju nemožno splniť.

Experimentálne platformy v robotickej roji

Pre rojovú robotiku sa používajú rôzne experimentálne platformy, ktoré zahŕňajú použitie rôznych experimentálnych platforiem a rôznych robotických simulátorov na stimuláciu prostredia rojovej robotiky bez potreby skutočného hardvéru.

1. Robotické platformy

Pri rôznych roboticko-robotických experimentoch v rôznych laboratóriách sa používajú rôzne robotické platformy

i) roja

Použité senzory: má rôzne senzory, ktoré uľahčujú robotu, vrátane senzorov dosahu a kamery.

Pohyb: Používa kolieska na presun z jedného do druhého.

Vyvinul: Vyvinula ho Rice University v USA

Popis: SwarmBot je robotická platforma pre roj vyvinutá pre výskum Rice University. Na jedno nabitie dokáže autonómne pracovať približne 3 hodiny, taktiež si tieto roboty samy umožňujú vyhľadať a pripojiť sa k nabíjacím staniciam umiestneným na stenách.

ii) Kobot

Použité snímače: Zahŕňa použitie snímača vzdialenosti, obrazových senzorov a kompasu.

Pohyb: Na ich pohyb používa kolesá

Vývojár: Vyvinutý vo výskumnom laboratóriu KOVAN na Blízkom východe, Technická univerzita v Turecku.

Popis: Kobot je špeciálne navrhnutý pre výskum rojovej robotiky. Skladá sa z niekoľkých senzorov, ktoré z neho robia dokonalú platformu na vykonávanie rôznych robotických situácií roja, napríklad koordinovaného pohybu. Môže pracovať autonómne 10 hodín na jedno nabitie. Zahŕňa tiež vymeniteľnú batériu, ktorá sa má nabíjať manuálne, a väčšinou sa používa pri implementácii samoorganizujúcich sa scenárov.

(iii) S-bot

Použité snímače: Využíva rôzne snímače na to, aby fungovali, ako sú snímače svetla, infračerveného žiarenia, polohy, sily, rýchlosti, teploty, vlhkosti, zrýchlenia a mikrofónu.

Pohyb: Na svoje pohyby využíva trely pripevnené k základni.

Vyvinul: Vyvinula ho École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) vo Švajčiarsku.

Popis: S-bot je jednou z niekoľkých kompetentných a podstatných rojových robotických platforiem, aké boli kedy vyrobené. má jedinečný dizajn chapadla schopný uchopiť predmety a ďalších s-robotov. Na jedno nabitie tiež môžu pracovať približne 1 hodinu.

(iv) robot Jasmine

Použité snímače: Využíva snímače vzdialenosti a svetla.

Vyvinul: Vyvinula ho univerzita v Stuttgarte v Nemecku.

Pohyb: Robí svoj pohyb na kolesách.

Popis: Mobilné roboty Jasmine sú rojové robotické platformy, ktoré sa používajú v mnohých robotických výskumoch rojov.

(v) E-puk

Použité senzory: Používa rôzne senzory, ako je vzdialenosť, kamera, ložisko, akcelerácia a mikrofón.

Vyvinula: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Švajčiarsko

Pohyb: Je založený na pohybe kolesa.

Popis: Elektronický puk je primárne určený na vzdelávacie účely a je jedným z najúspešnejších robotov. Vďaka svojej jednoduchosti sa však často používa aj pri výskume robotiky v rojoch. Má používateľsky vymeniteľné batérie s pracovnou dobou 2 - 4 hodiny.

vi) Kilobot

Použité senzory: Používa kombináciu senzorov vzdialenosti a svetla.

Vývojár: Harvard University, USA

Pohyb: Využíva vibrácie systému na pohyb tela systému.

Popis: Kilobot je stredne nedávna robotická platforma pre roje s jedinečnou funkciou skupinového nabíjania a skupinového programovania. Vďaka svojej jednoduchosti a nízkej spotrebe má výdrž až 24 hodín. Roboty sa nabíjajú ručne v skupinách na špeciálnej nabíjacej stanici.

2. Simulátory

Robotické simulátory riešia problém hardvéru potrebného na testovanie dôveryhodnosti robotov v umelo simulovaných skutočných parametroch prostredia.

Existuje veľa robotických simulátorov, ktoré sa dajú použiť na multi-robotické experimenty, konkrétnejšie na robotické experimenty s rojmi, a všetky sa líšia svojimi technickými aspektmi, ale aj licenciou a cenou. Niektoré zo simulátorov rojových robotov a multi-robotických platforiem sú tieto:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D je simulátor pre multi-robotiku, ale navrhnutý špeciálne pre robota S-Bot projektu SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: Robotické štúdio je simulátor vyvinutý spoločnosťou Microsoft. Umožňuje multi-robotickú simuláciu a na svoje fungovanie vyžaduje platformu Windows.
• Webots: Webots je realistický mobilný simulátor, ktorý umožňuje simulácie viacerých robotov s už zostavenými modelmi skutočných robotov. Môže simulovať skutočné kolízie pomocou fyziky skutočného sveta. Jeho výkon sa však znižuje pri práci s viac ako robotmi, čo sťažuje simulácie s veľkým počtom robotov.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo je open source simulátor s multi-robotickými schopnosťami a širokou sadou dostupných robotov a senzorov pripravených na použitie. Dokáže dobre zvládnuť simulácie roboticko-robotických experimentov v 2D prostredí s veľmi dobrými výsledkami. Veľkosť populácie v prostredí môže v reálnom čase škálovať až 1 000 jednoduchých robotov.

Algoritmy a techniky používané pri rôznych úlohách v Swarm Robotics

Tu preskúmame rôzne techniky používané v rojovej robotike na rôzne jednoduché úlohy, ako je agregácia, disperzia atď. Tieto úlohy sú základnými počiatočnými krokmi pre všetky špičkové práce v rojovej robotike.

Agregácia: Agregácia spája všetkých robotov a je to skutočne dôležitý a počiatočný krok v ďalších zložitých krokoch, ako je formovanie vzorov, samoskladanie, výmena informácií a kolektívne pohyby. Robot používa svoje senzory, ako sú snímače priblíženia a mikrofón, ktorý využíva mechanizmy výmeny zvuku pomocou akčného člena, napríklad reproduktorov. Senzory pomáhajú jedinému robotovi nájsť najbližšieho robota, ktorý sa tiež stáva stredom skupiny, kde sa robot musí sústrediť iba na druhého robota, ktorý je v strede skupiny, a dostať sa k nemu a k rovnakému procesu nasledujú všetci členovia roja, ktorí im umožňujú zhromaždiť všetky.

Disperzia: Keď sú roboty agregované na jednom mieste, ďalším krokom je ich rozptýlenie v prostredí, kde pracujú ako jediný člen roja, čo tiež pomáha pri skúmaní prostredia, ktoré každý robot roja vypracuje. ako jediný snímač, keď ho treba preskúmať. Na disperziu robotov boli navrhnuté a použité rôzne algoritmy, jeden z prístupov zahŕňa algoritmus potenciálneho poľa pre disperziu robotov, v ktorom sú roboty odrazené od prekážok a ďalšie roboty, ktoré umožňujú lineárne dispergovanie rojového prostredia.

Jeden z ďalších prístupov zahŕňa disperziu založenú na čítaní signálov bezdrôtovej intenzity. Signály bezdrôtovej intenzity umožňujú robotom rozptyľovať sa bez vedomia svojich najbližších susedov, iba zachytia bezdrôtové intenzity a usporiadajú ich tak, aby sa rozptýlili v okolitom prostredí.

Tvorba vzorov: Tvorba vzorov v rojovej robotike je hlavnou charakteristikou ich kolektívneho správania. Tieto vzorce môžu veľmi pomôcť pri riešení problému, ktorý spočíva v spolupráci celej skupiny. Pri formovaní vzorov vytvárajú roboty globálny tvar zmenou časti jednotlivých robotov, kde má každý robot iba lokálne informácie.

Roj robotov vytvára štruktúru s definovaným vnútorným a vonkajším tvarom. Pravidlá, vďaka ktorým sa častice / roboty agregujú v požadovanej formácii, sú lokálne, ale objavuje sa globálny tvar, bez akýchkoľvek globálnych informácií o jednotlivom členovi roja. Algoritmus využíva virtuálne pružiny medzi susednými časticami, pričom zohľadňuje, koľko majú susedov.

Kolektívny pohyb: Aký význam má tím, ak nemôžu všetci spoločne vyriešiť problém a to je najlepšia časť roja? Kolektívny pohyb je spôsob, ktorý umožňuje koordinovať skupinu robotov a dosiahnuť ich súdržný pohyb ako skupiny. Je to základný spôsob vykonávania niektorých kolektívnych úloh a je možné ho rozdeliť na dva typy formácie a flockovania.

Existuje veľa metód kolektívneho pohybu, ale znepokojujúce sú iba tie, ktoré umožňujú škálovateľnosť s rastúcim počtom robotov, keď každý robot rozpoznáva relatívnu polohu svojho suseda a reaguje príslušnými silami, ktoré by mohli pôsobiť atraktívne alebo odpudivé na vytvorenie štruktúr pre kolektívne pohyby.

Prideľovanie úloh: Pridelenie úloh je problematická oblasť v rojovej robotike na základe deľby práce. Na rozdelenie práce sa však používajú rôzne metódy, jednou z nich je, že každý robot by sledoval úlohy iného robota a udržoval by pre ne históriu a neskôr by mohol zmeniť svoje vlastné správanie, aby sa do úlohy zmestil sám, táto metóda je založená na klebetnej komunikácii a určite má svoje klady na lepší výkon, ale zároveň má za následok, že vďaka obmedzenej robustnosti a strate paketov počas komunikácie bude menej škálovateľná. Pri druhej metóde úlohy vyhlasujú niektorí z robotov a určitý počet ďalších robotov sa ich zúčastňuje súčasne, je to jednoduchá a reaktívna metóda.

Hľadanie zdroja: Robotika roja je pri hľadaní zdroja veľmi úspešná, najmä ak je zdroj na hľadanie zložitý, napríklad v prípade zvuku alebo zápachu. Vyhľadávanie robotickou rojou sa deje dvoma spôsobmi, jedným je globálny, druhým je lokálny a rozdiel medzi nimi je komunikácia. Jeden s globálnou komunikáciou medzi robotmi, v ktorom sú roboty schopní nájsť globálny maximálny zdroj. Druhý je obmedzený iba na miestnu komunikáciu medzi robotmi, aby sa našli miestne maximá.

Preprava predmetov: Mravce majú hromadnú prepravu predmetov, kde jeden mravec čaká na druhého partnera na spoluprácu, ak je predmet na prepravu príliš ťažký. Pod rovnakými ľahkými robotmi roj robí veci rovnakým spôsobom, keď každý robot má výhodu získania spolupráce od ostatných robotov pri preprave predmetov. S-roboty ponúkajú skvelú platformu na riešenie problému prepravy, kde sa samy zhromažďujú, aby spolupracovali, a ich algoritmus sa zväčšuje, ak je predmet, ktorý má byť transportovaný, ťažký.

Druhou metódou je hromadná preprava objektov, pri ktorej sa predmety zhromažďujú a ukladajú na neskoršiu prepravu. Tu majú roboty dve rôzne úlohy - zhromažďovanie predmetov a ich umiestnenie do vozíka a hromadný presun vozíka, ktorý tieto predmety nosí.

Hromadné mapovanie: Hromadné mapovanie sa používa na prieskum a mapovanie veľkých vnútorných priestorov pomocou veľkého počtu robotov.

V jednej metóde mapovanie vykonáva skupina dvoch robotov, ktorí si vymieňajú informácie na zlúčenie máp. Druhou metódou je rola, v ktorej môže robot prevziať ktorúkoľvek z dvoch rolí, ktoré sa pohybujú alebo sú orientačné, ktoré môžu vymeniť za pohyb roja. Roboty tiež majú určitý odhad svojej polohy, takže musia odhadnúť polohu ostatných robotov, aby mohli vytvoriť kolektívnu mapu.

Aplikácia rojovej robotiky v reálnom svete

Aj keď rozsiahly výskum rojovej robotiky začal okolo roku 2012 až doteraz, nevyšiel s komerčnou aplikáciou v reálnom svete, používa sa na lekárske účely, ale nie v takom veľkom rozsahu a stále sa testuje. Existuje niekoľko dôvodov, prečo táto technológia nevychádza komerčne.

Návrh algoritmu pre jednotlivca a globála: Kolektívne správanie roja vychádza z jednotlivca, ktorý si vyžaduje návrh jedného robota a jeho správania, a v súčasnosti neexistuje žiadna metóda prechodu od správania jednotlivca k skupine.

Testovanie a implementácia: Rozsiahle požiadavky na laboratóriá a infraštruktúru pre ďalší vývoj.

Analýza a modelovanie: Rôzne základné úlohy vykonávané v rojovej robotike naznačujú, že sú nelineárne, a preto je zostavenie matematických modelov na ich prácu dosť ťažké.

Okrem týchto výziev existujú ďalšie bezpečnostné výzvy pre jednotlivca a roj vďaka ich jednoduchému dizajnu

i) Fyzické zachytenie robotov.

(ii) Totožnosť jednotlivca v roji, ktorý musí robot vedieť, ak interaguje s robotom svojho roja alebo iného roja.

(iii) Komunikačné útoky na jednotlivca a roj.

Hlavným cieľom rojovej robotiky je pokryť široký región, kde by sa roboty mohli rozptýliť a vykonávať svoje príslušné úlohy. Sú užitočné na detekciu nebezpečných udalostí, ako sú úniky, nášľapné míny atď., A hlavnou výhodou distribuovanej a pohyblivej siete senzorov je, že dokáže vnímať širokú oblasť a dokonca na ňu reagovať.

Aplikácie rojovej robotiky sú skutočne sľubné, ale stále existuje potreba ich vývoja v algoritmickej aj modelovacej časti.