Įvadas į būrio robotiką

Sąveika, situacijos supratimas ir reagavimas į situaciją yra vieni didžiausių žmonių bruožų, o tai daro mus tokiais, kokie esame. Mes esame gimę gyventi socialinėje visuomenėje ir visada žinojome apie save, kad esame geriausio būdo socialinė būtybė, žinoma nuo šios planetos sukūrimo.

Socialinė kultūra ir tarpusavio sąveika siekiant bendro tikslo yra ne tik žmonėms, bet ir kitoms šios planetos rūšims, pavyzdžiui, paukščių, žuvų ar bičių pulkui. Viskas, ką jie turi, turi vieną bendrą bruožą. kolektyvinis elgesys. Kai paukščiai migruoja dažnai matomoje vietoje, jie yra grupėje, kuriai vadovauja pagrindinis jų grupės narys, ir visi juos seka, o jų grupė yra suprojektuota tam tikromis geometrinėmis formomis, nepaisant to, kad paukščiai neturi formos ir figūrų prasmės ir taip pat grupė yra sukurta taip, kad vyresnieji grupės nariai būtų ant ribų, o jauni ar naujagimiai - centre.

Tos pačios charakteristikos yra ugnies skruzdėse, šios skruzdėlės šiek tiek skiriasi nuo kitų skruzdžių rūšių ir yra ypač žinomos dėl savo elgesio grupėje, jos kuria kartu, valgo kartu ir kartu gina savo kolonijas nuo grobių, iš esmės jos žino jie gali pasiekti daugiau būdami grupėje. Neseniai buvo atliktas šių skruzdžių grupės elgesio tyrimas, kurio metu buvo nustatyta, kad jie sugeba prireikus sukurti tvirtas struktūras, pavyzdžiui, kai reikia sukurti mažą tiltą perėjimui.

Kolektyvinis šių socialinių gyvūnų elgesys ir vabzdžių pagalba padeda jiems pasiekti daugiau, nepaisant visų suvaržymų. Mokslininkai įrodė, kad šių grupių asmenims nereikia jokio atstovavimo ar įmantrių žinių, kad būtų sukurtas toks sudėtingas elgesys. Socialiniuose vabzdžiuose gyvūnai ir paukščiai nėra informuojami apie visuotinį kolonijos statusą. Spiečiaus žinios yra paskirstytos visiems agentams, kur individas negali atlikti savo užduoties be likusio būrio. Ką daryti, jei šį kolektyvinį jutimą galima įtraukti į robotų grupę? Tai yra būrio robotika ir apie tai išsamiai sužinosime šiame straipsnyje .

Robotai kaip būrio dalis

Mūsų aplinka, kurioje gyvename, mus labai įkvepia, daugelis iš mūsų įkvepia savo darbą iš gamtos ir aplinkos, garsūs išradėjai, tokie kaip „Leonardo da Vinci“, tai padarė labai gerai ir jį galima pamatyti jo pasaulyje taip pat verčia tą patį procesą dirbti sprendžiant projektavimo ir inžinerijos problemas, pavyzdžiui, kulkosvaidžių nosis įkvėpė jūrinio žvejo snapas, kad šis važiuotų greičiau ir būtų efektyviau energiją vartojantis bei gamintų santykinai mažiau triukšmo. tuneliai ir tam yra sukurtas terminas bei jo žinomas kaip biomimikrija.

Taigi, norint išspręsti sudėtingas užduotis, kai žmogaus įsikišimas yra sunkus ir sudėtingesnis, o ne tik vidutinis robotas, pvz., Tam tikrais atvejais, kai pastatas sugriuvo dėl žemės drebėjimo ir žmonės buvo prislėgti po betonu, neabejotinai ši problema reikalingas kažkoks robotas, kuris vienu metu gali atlikti kelias užduotis ir pakankamai mažas, kad galėtų atlikti betoną, ir pirmiausia padeda gauti informaciją apie žmogaus egzistavimą, taigi, kas jums kyla , mažų mažų robotų grupei pakankamai savarankiškai susikurti savo kelią ir gauti informaciją, ir tai tikrai imituoja kažkokį vabzdžių ar musių būrį, taigi ten, kur spiečių robotika užima pirmąją vietą, o štai oficialesnė. Spiečių robotikayra daugialypės robotikos sritis, kurioje paskirstytas ir decentralizuotas didelis robotų skaičius yra koordinuojamas. jis pagrįstas vietinių taisyklių, mažų paprastų robotų, įkvėptų kolektyvinio socialinių vabzdžių elgesio, naudojimu, kad daugybė paprastų robotų galėtų veiksmingiau nei viena robotas įveikti sudėtingą užduotį, suteikiant grupei tvirtumą ir lankstumą..

Organizacijos ir grupė atsiranda iš sąveikos tarp individų ir tarp individų bei gaubiančios aplinkos, šios sąveikos yra išsibarsčiusios visoje kolonijoje ir todėl kolonija gali išspręsti užduotis, kurias sunku išspręsti vienam asmeniui, o tai reiškia, kad siekiama bendro tikslo.

Kaip „Swarm Robotics“ įkvėpė socialiniai vabzdžiai

Daugiafunkcinės robotikos sistemos palaiko kai kurias socialinių vabzdžių savybes, tokias kaip tvirtumas, robotų būrys gali veikti, net jei kai kuriems asmenims nepavyksta arba yra sutrikimų supančioje aplinkoje; lankstumas, spiečius sugeba sukurti skirtingus sprendimus skirtingoms užduotims ir sugeba pakeisti kiekvieną roboto vaidmenį priklausomai nuo momento poreikio. Masto mastelis, roboto spiečius gali dirbti skirtingais grupių dydžiais - nuo kelių asmenų iki tūkstančių.

Roboto būrio charakteristikos

Kaip minėta, paprastas robotinis būrys įgyja socialinių vabzdžių, kurie išvardyti taip, savybę

1. Robotų būrys turi būti autonomiškas ir gebėti pajausti bei veikti realioje aplinkoje.

2. Būryje esančių robotų skaičius turi būti pakankamai didelis, kad palaikytų kiekvieną užduotį kaip grupę, kurią jie privalo atlikti.

3. Būryje turėtų būti vienalytis, būryje gali būti įvairių grupių, tačiau jų neturėtų būti per daug.

4. Vienas būrio robotas turi būti neveiksnus ir neveiksmingas, atsižvelgiant į pagrindinį tikslą, tai yra, kad jie turi bendradarbiauti, kad pavyktų ir pagerėtų našumas.

5. Visi robotai turi turėti tik vietines jutimo ir bendravimo galimybes su kaimyniniu būrio partneriu, tai užtikrina spiečiaus koordinacijos pasiskirstymą ir mastelio keitimas tampa viena iš sistemos savybių.

Daugialypės robotikos sistemos ir būrio robotika

Spiečių robotika yra daugelio robotų sistemos dalis ir kaip grupė jie turi keletą savo ašių savybių, kurios apibūdina jų grupės elgesį

Kolektyvinis dydis: Kolektyvinis dydis yra SIZE-INF, kuris yra N >> 1, kuris yra priešingas SIZE-LIM, kur roboto N skaičius yra mažesnis nei atitinkamas jų aplinkos dydis.

Ryšio diapazonas: Ryšio diapazonas yra COM-NEAR, todėl robotai gali bendrauti tik su pakankamai arti esančiais robotais.

Komunikacijos topologija: spiečių robotų bendravimo topologija paprastai būtų „TOP-GRAPH“, robotai yra susieti bendroje grafikų topologijoje.

Ryšio pralaidumas: Ryšio pralaidumas yra „BAND-MOTION“. Ryšio kaina tarp dviejų robotų yra tokia pati, kaip perkeliant robotus iš vienos vietos į kitą.

Kolektyvinis perskaičiavimas: Kolektyvinis pertvarkymas paprastai yra ARR-COMM, tai yra suderintas susitarimas su nariais, kurie bendrauja, tačiau tai taip pat gali būti ARR-DYN, tai yra dinaminis išdėstymas, pozicijos gali pasikeisti atsitiktinai.

Proceso galimybės: Proceso galimybės yra PROC-TME, kur skaičiavimo modelis yra derinimo mašinos atitikmuo.

Kolektyvinė kompozicija: Kolektyvinė kompozicija yra CMP-HOM, tai reiškia, kad robotai yra vienarūšiai.

Daugelio robotų sistemų pranašumai, palyginti su vienu robotu

• Užduoties lygiagretumas: visi žinome, kad užduotys gali būti išskaidomos, ir visi žinome judriojo kūrimo metodą, todėl naudodamiesi lygiagretumu grupės gali priversti efektyviau atlikti užduotį.
• Užduoties nustatymas: grupė yra galingesnė už vieną ir tas pats pasakytina apie būrio robotiką, kur robotų grupė gali priversti užduotį atlikti tam tikrą užduotį, kurios neįmanoma atlikti vienam robotui.
• Pasiskirstymas jutimu: Kadangi būrys turi kolektyvinį jutimą, jis turi platesnį jutimo diapazoną nei vieno roboto diapazonas.
• Platinimas veikiant: grupė robotų gali vienu metu atlikti skirtingus veiksmus skirtingose ​​vietose.
• Gedimų tolerancija: vieno roboto gedimas grupėje esančių robotų būryje nereiškia, kad užduotis nepavyks arba jos nebus galima įvykdyti.

Eksperimentinės platformos būrio robotikoje

Spiečių robotikai naudojamos skirtingos eksperimentinės platformos, kurios apima skirtingų eksperimentinių platformų ir skirtingų robotų simuliatorių naudojimą būrio robotikos aplinkai skatinti be faktinės aparatūros.

1. Robotų platformos

Skirtingose ​​robotų bandymuose skirtingose ​​laboratorijose naudojamos skirtingos robotų platformos

i) „Swarmbot“

Naudojami jutikliai: jis turi įvairius jutiklius, kurie padeda robotui, įskaitant nuotolio jutiklius ir kamerą.

Judesys: jis naudojamas ratams judėti iš vieno į kitą.

Sukūrė: Tai sukūrė Rice universitetas, JAV

Aprašymas: „ SwarmBot“ yra robotų platforma, sukurta Rice universiteto tyrimams. Jis gali savarankiškai veikti apytiksliai 3 valandas su vienu įkrovimu, taip pat šie robotai patys įgalina rasti ir prijungti prie sienų esančias įkrovimo stoteles.

ii) Kobotas

Naudojami jutikliai: tai apima atstumo jutiklio, regos jutiklių ir kompaso naudojimą.

Judesys: Jiems judėti naudojami ratai

Sukūrė: Tai sukurta KOVAN tyrimų laboratorijoje Vidurio Rytų technikos universitete, Turkijoje.

Aprašymas: „ Kobot“ yra specialiai sukurtas būrio robotikos tyrimams. Jis pagamintas iš kelių jutiklių, dėl kurių tai yra puiki platforma įvairioms robotų situacijoms, tokioms kaip koordinuotas judėjimas, atlikti. Jis gali dirbti autonomiškai 10 valandų su vienu įkrovimu. Jame taip pat yra keičiama baterija, kurią reikia įkrauti rankiniu būdu, ir ji dažniausiai naudojama įgyvendinant savarankiškus scenarijus.

iii) S-bot

Naudojami jutikliai: Tai leidžia naudoti įvairius jutiklius, kad viskas veiktų kaip šviesos, IR, padėties, jėgos, greičio, temperatūros, drėgmės, pagreičio ir mikrofono jutikliai.

Judesys: judesiams naudojamas treelis, pritvirtintas prie pagrindo.

Sukūrė: Sukūrė École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Šveicarija.

Aprašymas: „ S-bot“ yra viena iš kelių kompetentingų ir reikšmingų kada nors pastatytų robotų platformų. jis turi unikalų griebtuvo dizainą, galintį suimti daiktus ir kitus s-robotus. Be to, jie gali maždaug vieną valandą treniruotis vienu įkrovimu.

(iv) Jasmine robotas

Naudojami jutikliai: jis naudoja atstumo ir šviesos jutiklius.

Sukūrė: Tai sukūrė Štutgarto universitetas, Vokietija.

Judėjimas: jis juda ant ratų.

Aprašymas: „ Jasmine“ mobilieji robotai yra spiečių robotų platformos, naudojamos daugybei būrio robotų tyrimų.

v) „E-Puck“

Naudojami jutikliai: naudojami įvairūs jutikliai, tokie kaip atstumas, kamera, guolis, pagreitis ir mikrofonas.

Sukūrė: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Šveicarija

Judėjimas: tai pagrįsta rato judesiu.

Aprašymas: „ E-Puck“ pirmiausia sukurtas švietimo tikslams ir yra vienas iš sėkmingiausių robotų. Tačiau dėl savo paprastumo jis dažnai naudojamas ir būrio robotikos tyrimuose. Jis turi vartotojo keičiamas baterijas, kurių darbo laikas yra 2-4 valandos.

vi) kilobotas

Naudojami jutikliai: naudojamas atstumo ir šviesos jutiklių derinys.

Sukūrė: Harvardo universitetas, JAV

Judesys: sistemos kūnui judėti naudojama sistemos vibracija.

Aprašymas: „ Kilobot“ yra vidutiniškai nauja robotų platforma, turinti unikalią grupės įkrovimo ir grupės programavimo funkciją. Dėl savo paprastumo ir mažo energijos suvartojimo, jis veikia iki 24 valandų. Robotai rankiniu būdu kraunami grupėmis specialioje įkrovimo stotelėje.

2. Simuliatoriai

Robotiniai simuliatoriai sprendžia aparatinės įrangos, reikalingos robotų patikimumui tikrinti, dirbtinai imituojamose realios aplinkos parametruose, problemą.

Egzistuoja daugybė robotų treniruoklių, kurie gali būti naudojami eksperimentams su daugybe robotų, tiksliau, būrio robotų eksperimentams, ir visi jie skiriasi savo techniniais aspektais, bet ir licencija bei kaina. Kai kurie būrio robotų ir daugelio robotų platformų simuliatoriai yra šie:

• „SwarmBot3D“: „ SwarmBot3D“ yra daugialypės robotikos treniruoklis, bet sukurtas specialiai „SwarmBot“ projekto robotui „S-Bot“.
• „Microsoft Robotics Studio“: robotų studija yra „Microsoft“ sukurtas treniruoklis. Tai leidžia atlikti daugelio robotų modeliavimą ir reikalauja, kad veiktų „Windows“ platforma.
• „Webots“: „ Webots“ yra realus mobilusis treniruoklis, leidžiantis imituoti daugelio robotų modelius su jau pastatytais tikrų robotų modeliais. Jis gali imituoti tikrus susidūrimus pritaikydamas realaus pasaulio fiziką. Tačiau jo našumas mažėja dirbant su daugiau nei robotais, todėl sunku imituoti daugelį robotų.
• Žaidėjas / scena / pavėsinė: grotuvas / scena / pavėsinė yra atviro kodo treniruoklis, turintis daugelio robotų galimybes ir platų galimų naudoti robotų ir jutiklių rinkinį. Jis gali gerai valdyti robotų bandų modeliavimą 2D aplinkoje ir gauti labai gerus rezultatus. Gyventojų skaičius aplinkoje realiuoju laiku gali padidinti iki 1000 paprastų robotų.

Algoritmai ir technika, naudojami įvairioms būrio robotikos užduotims atlikti

Čia mes išnagrinėsime įvairias technikas, naudojamas būrio robotikoje, atliekant įvairias paprastas užduotis, tokias kaip agregavimas, dispersija ir kt. Šios užduotys yra pagrindiniai pradiniai žingsniai visiems aukštos klasės robotų robotams.

Apibendrinimas: agregavimas sujungia visus robotus ir tai yra tikrai svarbus ir pradinis žingsnis atliekant kitus sudėtingus veiksmus, pvz., Modelio formavimą, savęs surinkimą, keitimąsi informacija ir kolektyvinius judesius. Robotas naudoja savo jutiklius, tokius kaip artumo jutiklius ir mikrofoną, kuris naudoja garso mainų mechanizmus su pavaros, tokios kaip garsiakalbiai, pagalba. Jutikliai padeda vienam robotui rasti artimiausią robotą, kuris taip pat pasirodo esąs grupės centras, kur robotas turi sutelkti dėmesį tik į kitą robotą, esantį grupės centre, ir pasiekti jį link to paties proceso seka visi būrio nariai, kurie jiems leidžia visus sujungti.

Dispersija: Kai robotai sujungiami vienoje vietoje, kitas žingsnis yra išsklaidyti juos aplinkoje, kurioje jie dirba kaip vienas būrio narys, ir tai taip pat padeda tyrinėti aplinką, kai kiekvienas būrio botas dirba kaip vieną jutiklį, kai belieka tyrinėti. Robotams skleisti buvo pasiūlyti ir naudojami įvairūs algoritmai, vienas iš būdų apima potencialų lauko algoritmą, skirtą sklaidyti robotus, kuriuose robotai gauna kliūtis ir kitus robotus, kurie leidžia būrio aplinkai skirstytis tiesiškai.

Vienas iš kitų būdų apima sklaidą, pagrįstą bevielio intensyvumo signalų nuskaitymu, bevielio intensyvumo signalai leidžia robotams skirstytis be artimiausių kaimynų žinios, jie tiesiog sugauna belaidžio ryšio intensyvumą ir sutvarko juos, kad išsklaidytų juos supančioje aplinkoje.

Šablonų formavimas: Spiečių robotikos modelių formavimas yra pagrindinė jų kolektyvinio elgesio savybė. Šie modeliai gali labai padėti, kai reikia išspręsti problemą, kurioje dalyvauja visa grupė. Formuojant modelį, robotai sukuria visuotinę formą, pakeisdami atskirų robotų dalį, kurioje kiekvienas robotas turi tik vietinę informaciją.

Robotų būrys suformuoja struktūrą su vidine ir išorine apibrėžta forma. Taisyklės, kurios priverčia dalelę / robotus susikaupti norimame formavime, yra lokalios, tačiau atsiranda visuotinė forma, neturint jokios pasaulinės informacijos apie atskirą būrio narį. Algoritmas naudoja virtualias spyruokles tarp kaimyninių dalelių, atsižvelgdamas į tai, kiek kaimynų jie turi.

Kolektyvinis judėjimas: Ką reiškia komanda, jei jie visi kartu negali išspręsti problemos ir tai yra geriausia būrio dalis? Kolektyvinis judėjimas yra būdas leisti koordinuoti robotų grupę ir priversti juos judėti kartu kaip grupę darniai. Tai yra pagrindinis būdas atlikti kai kurias kolektyvines užduotis ir jį galima suskirstyti į du formavimo ir pulko tipus.

Yra daug kolektyvinio judėjimo metodų, tačiau susirūpinimą kelia tik tie, kurie leidžia keisti mastelį su vis daugiau robotų, kai kiekvienas robotas atpažįsta santykinę savo kaimyno padėtį ir reaguoja su atitinkamomis jėgomis, kurios galėtų būti patrauklios arba atstumiančios formuojant kolektyvinio judėjimo struktūras.

Užduočių paskirstymas: Užduočių paskirstymas yra probleminė spiečių robotikos sritis, remiantis darbo pasidalijimu. Tačiau darbo pasidalijimui naudojami įvairūs metodai, vienas iš jų yra tai, kad kiekvienas robotas stebėtų kitų robotų užduotis ir išlaikytų tų pačių istoriją, o vėliau galėtų pakeisti savo elgesį, kad pats atitiktų užduotį, šis metodas yra pagrįstas paskalų bendravimu ir, be abejo, jis turi geresnių rezultatų privalumų, tačiau tuo pačiu metu jis turi prielaidą, kad dėl riboto tvirtumo ir paketų praradimo komunikacijos metu jis tampa mažiau keičiamas. Taikant kitą metodą, užduotis skelbia kai kurie robotai, o tam tikras skaičius kitų robotų jose dalyvauja vienu metu - tai paprastas ir reaktyvus metodas.

Šaltinio paieška: Spiečių robotika labai sėkmingai atlieka šaltinio paiešką, ypač kai paieškos šaltinis yra sudėtingas, kaip garso ar kvapo atveju. Paieškos būrio robotika atliekama dviem būdais: vienas yra globalus, kitas yra vietinis, o skirtumas tarp jų yra bendravimas. Vykdant globalų robotų bendravimą, kuriame robotai sugeba rasti maksimalų globalų šaltinį. Kitas yra skirtas tik vietiniam ryšiui tarp robotų, norint rasti vietos maksimumus.

Objektų gabenimas: skruzdėlės gabena objektus kolektyviai, kai atskira skruzdė laukia kito partnerio bendradarbiavimo, jei gabenamas objektas yra per sunkus. Esant tiems patiems lengviesiems robotams, spiečius viskas veikia taip pat, kaip kiekvienas robotas turi pranašumą bendradarbiauti su kitais robotais gabenant objektus. „S-bots“ yra puiki platforma transporto problemai išspręsti, kai jie patys susirenka bendradarbiauti ir jų algoritmas padidėja, jei gabenamas objektas yra sunkus.

Kitas būdas yra kolektyvinis daiktų gabenimas, kai objektai yra surenkami ir laikomi tolesniam transportavimui, čia robotams tenka dvi skirtingos užduotys - surinkti daiktus ir įdėti juos į vežimėlį bei kartu judėti vežimėliu, nešančiu tuos daiktus.

Kolektyvinis kartografavimas: Kolektyvinis kartografavimas yra naudojamas tiriant ir kartografuojant dideles patalpų teritorijas naudojant daugybę robotų.

Vienu metodu žemėlapius atlieka dvi grupės iš dviejų robotų, kurie keičiasi informacija ir sujungia žemėlapius. Kitas metodas yra vaidmuo, pagal kurį robotas gali prisiimti bet kurį iš dviejų judančių vaidmenų ar orientyrą, kurį jie gali iškeisti į būrio judėjimą. Be to, robotai turi tam tikrą savo padėties įvertinimą, todėl turi įvertinti kitų robotų vietą, kad būtų sudarytas kolektyvinis žemėlapis.

Tikro pasaulio būrio robotikos taikymas

Nors išsamūs spiečių robotų tyrimai buvo pradėti apie 2012 m., Iki šiol jie nebuvo pritaikyti komercinei realiojo naudojimo programai, tačiau jie naudojami medicinos tikslams, tačiau ne tokiu mastu ir vis dar bandomi. Yra keletas priežasčių, kodėl ši technologija nepasirodo komerciškai.

Individualaus ir globalaus algoritmo projektavimas: kolektyvinis būrio elgesys kyla iš individo, kuris reikalauja sukurti vieną robotą ir jo elgesį, ir šiuo metu nėra metodo, kaip pereiti nuo individo prie grupės elgesio.

Testavimas ir įgyvendinimas: dideli reikalavimai laboratorijoms ir infrastruktūrai tolesnei plėtrai.

Analizė ir modeliavimas: Įvairios pagrindinės būrio robotikos užduotys rodo, kad tai yra nelinijiniai, todėl sukurti jų matematinius modelius yra gana sunku

Be šių iššūkių, dėl paprasto jų dizaino yra dar daugiau saugumo iššūkių asmeniui ir būriui

i) Fizinis robotų užfiksavimas.

ii) būrio asmens tapatybė, kurią robotas turi žinoti, ar jis sąveikauja su savo būrio robotu ar kitu būriu.

iii) bendravimo išpuoliai prieš individą ir būrį.

Pagrindinis būrio robotikos tikslas yra aprėpti platų regioną, kuriame robotai galėtų išsisklaidyti ir atlikti atitinkamas užduotis. Jie yra naudingi aptikti pavojingus įvykius, tokius kaip nuotėkiai, minos ir kt., O pagrindinis paskirstyto ir kilnojamo jutiklių tinklo privalumas yra tas, kad jis gali pajusti platų plotą ir netgi jį veikti.

Spiečių robotikos pritaikymas yra tikrai perspektyvus, tačiau vis tiek reikia ją tobulinti tiek algoritminėje, tiek modeliavimo dalyje.