Введение в роевую робототехнику

Взаимодействие, понимание и последующее реагирование на ситуацию - одни из величайших черт человека, и именно они делают нас такими, какие мы есть. Мы рождены, чтобы жить в социальном обществе, и мы всегда знали о себе, что мы - самые воспитанные социальные существа, известные с момента создания этой планеты.

Социальная культура и взаимодействие друг с другом для достижения общей цели характерны не только для людей, но и для других видов на этой планете, таких как стая птиц, рыб или пчел, все они имеют одну общую черту. коллективное поведение. Когда птицы мигрируют, часто можно увидеть, что они находятся в группе, которую возглавляет ведущий член их группы, и все они следуют за ними, и их группа имеет определенные геометрические формы, несмотря на то, что птицы не имеют никакого представления о формах и фигурах и также группа сделана так, что старшие члены группы находятся на границах, а молодые или новорожденные находятся в центре.

Те же характеристики обнаруживаются у огненных муравьев, эти муравьи немного отличаются от других видов муравьев и особенно известны своим групповым поведением, они строят вместе, вместе едят и вместе защищают свои колонии от жертв, в основном они знают они могут достичь большего, когда находятся в группе. Недавно было проведено исследование группового поведения этих муравьев, в ходе которого было обнаружено, что они способны создавать прочные конструкции всякий раз, когда это необходимо, например, когда необходимо создать небольшой мост для перехода.

Коллективное поведение этих социальных животных и насекомых помогает им добиваться большего, несмотря на все их ограничения. Исследователи продемонстрировали, что людям из этих групп не нужны какие-либо представления или сложные знания, чтобы вызывать такое сложное поведение. У социальных насекомых, животных и птиц особи не информированы о глобальном статусе колонии. Знания о рое распределяются между всеми агентами, и индивидуум не может выполнить свою задачу без остальной части роя. Что, если это коллективное ощущение может быть перенесено в группу роботов? Это то, что такое ройная робототехника, и мы узнаем об этом подробно в этой статье .

Роботы как часть роя

Наша среда, в которой мы живем, очень вдохновляет для нас, многие из нас черпают вдохновение для своей работы в природе и окружающей среде, известные изобретатели, такие как Леонардо да Винчи, сделали это очень хорошо, и это можно увидеть в его проектах в сегодняшнем мире. мы также выполняем тот же процесс для решения конструкторских и инженерных проблем, например, нос сверхскоростного поезда вдохновлен клювом зимородка, чтобы он имел большую скорость, был более энергоэффективным и производил относительно меньше шума при прохождении через туннели, и для этого был придуман термин, известный как биомимикрия.

Таким образом, для решения сложных задач, в которых вмешательство человека затруднено и имеет более высокую сложность, чем то, что должно быть чем-то большим, чем обычный робот, например, в некоторых случаях, когда здание рушится из-за землетрясения, и люди находятся в депрессии под бетоном, безусловно, эта проблема требуется какой-то робот, который может выполнять несколько задач одновременно, и достаточно маленький, чтобы пройти через бетон, и помогает в первую очередь получать информацию о человеческом существовании, так что, что приходит вам на ум, группа небольших роботов, которые маленькие достаточно и автономно создавать свой собственный путь и получать информацию, и это, безусловно, имитирует какой-то рой насекомых или мух, и, следовательно, робототехника роя выходит на первое место, а вот более формальная. Ройная робототехникаэто область мульти-робототехники, в которой большое количество роботов координируется распределенным и децентрализованным образом. он основан на использовании местных правил, маленьких простых роботов, вдохновленных коллективным поведением социальных насекомых, так что большое количество простых роботов может превзойти сложную задачу более эффективно, чем один робот, придавая устойчивость и гибкость группе.

Организации и группы возникают в результате взаимодействия между отдельными людьми, а также между отдельными людьми и окружающей средой, эти взаимодействия разбросаны по всей колонии, и поэтому колония может решать задачи, которые трудно решить одному человеку, что означает работу для достижения общей цели.

Как Swarm Robotics вдохновлена ​​социальными насекомыми

Мульти-роботизированные системы сохраняют некоторые характеристики социальных насекомых, такие как надежность, рой роботов может работать, даже если некоторые из особей выйдут из строя или возникнут нарушения в окружающей среде; гибкость, рой может создавать различные решения для разных задач и может изменять каждую роль робота в зависимости от необходимости. Масштабируемость, рой роботов может работать в группах разного размера, от нескольких человек до тысяч.

Характеристики роя роботов

Как уже говорилось, простой роботизированный рой приобретает характеристики социальных насекомых, которые перечислены ниже.

1. Стая роботов должна быть автономной и способной чувствовать и действовать в реальной среде.

2. Количество роботов в рое должно быть достаточно большим, чтобы выполнять каждую отдельную задачу как группу, которую они должны выполнять.

3. Рой должен быть однородным, в стае могут быть разные группы, но их не должно быть слишком много.

4. Один робот из роя должен быть неспособен и неэффективен по отношению к своей основной цели, то есть им необходимо сотрудничать, чтобы добиться успеха и улучшить производительность.

5. Все роботы должны иметь только возможности локального зондирования и связи с соседним партнером роя, это гарантирует, что координация роя распределена, а масштабируемость становится одним из свойств системы.

Мульти-робототехнические системы и ройная робототехника

Робототехника Swarm является частью мульти-робототехнической системы, и как группа они имеют некоторые характеристики для своих множественных осей, которые определяют их групповое поведение.

Коллективный размер: Коллективный размер - это SIZE-INF, который равен N >> 1, что противоположно SIZE-LIM, где количество N роботов меньше, чем их соответствующий размер среды, в которую они помещены.

Дальность связи: Дальность связи - COM-NEAR, так что роботы могут общаться только с роботами, которые находятся достаточно близко.

Топология связи: топология связи для роботов в рое обычно будет TOP-GRAPH, роботы связаны в общую топологию графа.

Пропускная способность связи: Пропускная способность связи - BAND-MOTION. Стоимость связи между двумя роботами такая же, как при перемещении роботов между местоположениями.

Коллективная реконфигурируемость: Коллективная реконфигурируемость, как правило, ARR-COMM, это скоординированная договоренность с участниками, которые общаются, но также может быть ARR-DYN, то есть динамическое расположение, позиции могут меняться случайным образом.

Способность к процессу: Способность к процессу - это PROC-TME, где вычислительная модель является эквивалентом машины настройки.

Коллективный состав: Коллективный состав - это CMP-HOM, что означает, что роботы однородны.

Преимущества мульти-робототехнических систем по сравнению с одиночным роботом

• Параллелизм задач: все мы знаем, что задачи могут быть декомпозируемыми, и все мы знаем о методе гибкой разработки, поэтому с помощью параллелизма группы могут выполнять задачу более эффективно.
• Реализация задачи: группа более мощная, чем одна, и то же самое относится к робототехнике роя, где группа роботов может заставить задачу выполнять определенную задачу, которая невозможна для одного робота.
• Распределение при восприятии : поскольку рой имеет коллективное восприятие, он имеет более широкий диапазон восприятия, чем диапазон одного робота.
• Распределение в действии: группа роботов может одновременно выполнять разные действия в разных местах.
• Отказоустойчивость: отказ одного робота в рое роботов внутри группы не означает, что задача не удастся или не может быть выполнена.

Экспериментальные платформы в Swarm Robotics

Существуют различные экспериментальные платформы, используемые для роевой робототехники, которые включают использование различных экспериментальных платформ и различных роботизированных симуляторов для стимулирования среды роевой робототехники без фактического необходимого оборудования.

1. Роботизированные платформы

Различные роботизированные платформы используются в разных экспериментах с роевыми роботами в разных лабораториях.

(i) Swarmbot

Используемые датчики: он имеет различные датчики, которые помогают боту, включая датчики дальности и камеру.

Движение: он использует колеса для перемещения от одного к другому.

Разработано: Разработано Университетом Райса, США.

Описание: SwarmBot - это роботизированная платформа, разработанная для исследований Университетом Райса. Он может автономно работать примерно 3 часа без подзарядки, также эти боты могут самостоятельно находить зарядные станции, размещенные на стенах, и стыковаться с ними.

(ii) Кобот

Используемые датчики: используются датчик расстояния, датчики обзора и компас.

Движение: он использует колеса для своего движения.

Разработано: Разработано в исследовательской лаборатории KOVAN при Ближневосточном техническом университете, Турция.

Описание: Кобот специально разработан для исследований в области роевой робототехники. Он состоит из нескольких датчиков, что делает его идеальной платформой для выполнения различных роботизированных ситуаций, таких как скоординированное движение. Он может работать автономно до 10 часов без подзарядки. Он также включает в себя сменный аккумулятор, который нужно заряжать вручную, и в основном он используется при реализации сценариев самоорганизации.

(iii) S-бот

Используемые датчики: в нем используются различные датчики для работы, например датчики света, инфракрасного излучения, положения, силы, скорости, температуры, влажности, ускорения и микрофона.

Движение: для своих движений он использует деревья, прикрепленные к его основанию.

Разработано: Он разработан Федеральной политехнической школой Лозанны (EPFL), Швейцария.

Описание: S-bot - одна из нескольких компетентных и надежных роботизированных платформ, когда-либо созданных. он имеет уникальную конструкцию захвата, способную захватывать предметы и других s-ботов. Также они могут проработать примерно 1 час без подзарядки.

(iv) Жасмин Робот

Используемые датчики: используются датчики расстояния и света.

Разработано: Разработано Штутгартским университетом, Германия.

Движение: он совершает свое движение на колесах.

Описание: Мобильные роботы Jasmine - это роботизированные платформы, которые используются во многих исследованиях роботов.

(v) Электронная шайба

Используемые датчики: в нем используются различные датчики, такие как расстояние, камера, азимут, ускорение и микрофон.

Разработано: Федеральная политехническая школа Лозанны (EPFL), Швейцария

Движение: основано на движении колеса.

Описание: Электронная шайба предназначена в первую очередь для образовательных целей и является одним из самых успешных роботов. Однако из-за своей простоты он также часто используется в исследованиях роевой робототехники. Он имеет заменяемые пользователем батареи, время работы которых составляет 2-4 часа.

(vi) Килобот

Используемые датчики: используется комбинация датчиков расстояния и освещенности.

Разработано: Гарвардский университет, США

Движение: он использует вибрации системы для движения тела системы.

Описание: Kilobot - это сравнительно недавняя роботизированная платформа с уникальной функцией групповой зарядки и группового программирования. Благодаря своей простоте и низкому энергопотреблению время безотказной работы составляет до 24 часов. Роботы заряжаются вручную группами на специальной зарядной станции.

2. Симуляторы

Роботизированные симуляторы решают проблему аппаратного обеспечения, необходимого для проверки надежности ботов в искусственно смоделированных параметрах реальной среды.

Существует множество симуляторов роботов, которые можно использовать для экспериментов с несколькими роботами, а точнее - для экспериментов с роботами, и все они различаются по своим техническим аспектам, а также по лицензии и стоимости. Вот некоторые из симуляторов роевых ботов и мультироботических платформ:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D - это симулятор мульти-робототехники, разработанный специально для робота S-Bot проекта SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: роботизированная студия - это симулятор, разработанный Microsoft. Он позволяет моделировать несколько роботов и требует для работы платформы Windows.
• Webots: Webots - это реалистичный мобильный симулятор, который позволяет моделировать несколько роботов с уже построенными моделями реальных роботов. Он может моделировать реальные столкновения, применяя физику реального мира. Однако его производительность снижается при работе с более чем роботами, что затрудняет моделирование с большим количеством роботов.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo - это симулятор с открытым исходным кодом, обладающий мульти-роботизированными возможностями и широким набором доступных роботов и датчиков, готовых к использованию. Он хорошо справляется с моделированием экспериментов с роями-роботами в 2D-среде с очень хорошими результатами. Численность населения в окружающей среде может масштабироваться до 1000 простых роботов в реальном времени.

Алгоритмы и методы, используемые для различных задач в Swarm Robotics

Здесь мы собираемся изучить различные методы, используемые в роевой робототехнике для различных простых задач, таких как агрегация, диспергирование и т. Д. Эти задачи являются основными начальными шагами для всех высококлассных специалистов, работающих в роевой робототехнике.

Агрегация: агрегация объединяет всех ботов, и это действительно важный и начальный шаг на других сложных этапах, таких как формирование шаблона, самосборка, обмен информацией и коллективные движения. Робот использует свои датчики, такие как датчики приближения и микрофон, которые используют механизмы обмена звуком с помощью исполнительного механизма, такого как динамики. Датчики помогают одному боту найти ближайшего робота, который также оказывается центром группы, где бот должен сосредоточиться исключительно на другом боте, который находится в центре группы, и дотянуться до него, и тот же процесс за ним следуют все члены роя, которые позволяют им объединить всех.

Рассеивание: когда роботы собраны в одном месте, следующим шагом будет их рассредоточение в среде, где они работают как единый составной член роя, и это также помогает в исследовании среды, с которой работает каждый бот из роя как единый датчик, когда его нужно исследовать. Были предложены и использованы различные алгоритмы для рассеивания роботов, один из подходов включает алгоритм потенциального поля для рассеивания роботов, в котором роботы отталкиваются препятствиями и другими роботами, которые позволяют среде роя рассеиваться линейно.

Один из других подходов включает в себя дисперсию, основанную на считывании сигналов интенсивности беспроводной связи, сигналы интенсивности беспроводной связи позволяют роботам рассредоточиться без ведома их ближайших соседей, они просто улавливают интенсивности беспроводной связи и размещают их, чтобы рассеять их в окружающей среде.

Формирование паттернов: формирование паттернов в роя робототехнике является основной характеристикой их коллективного поведения, эти паттерны могут очень помочь, когда необходимо решить проблему, которая требует совместной работы всей группы. При формировании паттерна боты создают глобальную форму, изменяя часть отдельных роботов, где каждый бот имеет только локальную информацию.

Стая роботов образует структуру с определенной внутренней и внешней формой. Правила, которые заставляют частицу / роботов объединяться в желаемое образование, являются локальными, но возникает глобальная форма без какой-либо глобальной информации относительно отдельного члена роя. Алгоритм использует виртуальные пружины между соседними частицами, учитывая, сколько у них соседей.

Коллективное движение: что означает команда, если все они не могут решить проблему вместе, и это лучшая часть роя? Коллективное движение - это способ позволить координировать группу роботов и заставить их двигаться вместе, как группу, сплоченным образом. Это основной способ выполнения некоторых коллективных задач, который можно разделить на два типа: формирование и объединение.

Существует много методов коллективного движения, но вызывают озабоченность только те, которые обеспечивают масштабируемость с ростом числа роботов, когда каждый робот распознает относительное положение своего соседа и реагирует соответствующими силами, которые могут быть притягивающими или отталкивающими, чтобы сформировать структуры для коллективных движений.

Распределение задач: Распределение задач - проблемная область в роевой робототехнике на основе разделения труда. Тем не менее, существуют различные методы, используемые для разделения труда, один из них заключается в том, что каждый робот будет вести наблюдение за задачами других роботов и вести историю этих же задач, а затем может изменить свое собственное поведение, чтобы приспособиться к задаче, этот метод основан на сплетнях и, безусловно, имеет свои преимущества в виде лучшей производительности, но в то же время имеет недостаток, заключающийся в том, что из-за ограниченной надежности и потери пакетов во время связи он оказывается менее масштабируемым. В другом методе задачи объявляются некоторыми роботами, и определенное количество других роботов одновременно их посещает, это простой и реактивный метод.

Поиск источника: Робототехника Swarm очень успешна в задаче поиска источника, особенно когда источник для поиска сложен, как в случае звука или запаха. Поиск с помощью роботов роя осуществляется двумя способами: один - глобальный, другой - локальный, и разница между ними заключается в коммуникации. Один с глобальной связью между роботами, в которой роботы могут найти глобальный максимум источника. Другой ограничен только локальной связью между роботами для поиска локальных максимумов.

Транспортировка объектов: Муравьи осуществляют коллективную транспортировку объектов, когда отдельный муравей ждет, пока другой партнер будет сотрудничать, если переносимый объект слишком тяжелый. Под одними и теми же легкими роботами рой заставляет вещи работать одинаково, причем каждый робот имеет преимущество в том, что для транспортировки объектов кооперация с другими роботами. S-боты предлагают отличную платформу для решения проблемы транспортировки, где они самостоятельно собираются для сотрудничества, а их алгоритм масштабируется, если объект, который нужно транспортировать, тяжелый.

Другой метод - это коллективная транспортировка объектов, при которой объекты собираются и хранятся для последующей транспортировки. Здесь у роботов есть две разные задачи - сбор объектов и их размещение в тележке, а также коллективное перемещение тележки, в которой находятся эти объекты.

Коллективное картирование: Коллективное картирование используется для исследования и картирования больших внутренних территорий с использованием большого количества роботов.

В одном методе отображение выполняется двумя группами из двух роботов, которые обмениваются информацией для объединения карт. Другой метод основан на ролях, в котором робот может взять на себя любую из двух ролей: движение или ориентир, которые они могут заменить на движение роя. Кроме того, у роботов есть определенная оценка своего местоположения, поэтому им необходимо оценить местоположение других роботов, чтобы построить общую карту.

Реальное применение Swarm Robotics

Хотя обширные исследования роевой робототехники начались примерно в 2012 году, до сих пор она не вышла с коммерческим реальным приложением, она используется в медицинских целях, но не в таком большом масштабе и все еще проходит испытания. Существуют различные причины, по которым эта технология не поступает в продажу.

Разработка алгоритма для индивидуального и глобального: коллективное поведение роя исходит от индивида, что требует спроектировать единственного робота и его поведение, и в настоящее время не существует метода перехода от индивидуального к групповому поведению.

Тестирование и внедрение: обширные требования к лабораториям и инфраструктуре для дальнейшего развития.

Анализ и моделирование: различные базовые задачи, выполняемые в роевой робототехнике, показывают, что они нелинейны, и поэтому построение математических моделей для их работы довольно сложно.

Помимо этих проблем, существуют дополнительные проблемы безопасности для человека и стаи из-за их простой конструкции.

(i) Физический захват роботов.

(ii) Идентификационные данные особи в стае, которую робот должен знать, взаимодействует ли он с роботом из своего роя или с другим роем.

(iii) Коммуникационные атаки на особь и стайку.

Основная цель роевой робототехники - охватить обширную область, где роботы могли бы рассредоточиться и выполнять свои соответствующие задачи. Они полезны для обнаружения опасных событий, таких как утечки, наземные мины и т. Д., И главное преимущество распределенной и подвижной сети датчиков заключается в том, что они могут определять обширную территорию и даже действовать на нее.

Применение роевой робототехники действительно многообещающе, но все еще существует потребность в ее развитии как в алгоритмической, так и в модельной части.