Въведение в роевата роботика

Взаимодействието, разбирането и след това реагирането на ситуацията са едни от най-големите характеристики на хората и това са нещата, които ни правят това, което сме. Ние сме родени да живеем в социално общество и винаги сме знаели за нас, че сме най-възпитаното социално създание, известно от създаването на тази планета.

Социалната култура и взаимодействието помежду си, за да се постигне една обща цел, се среща не само при хората, но и при други видове на тази планета, като стадо птици, риби или пчели, и всичко им е едно общо, което имат колективно поведение. Когато птиците мигрират често виждани, те са в група, която се ръководи от водещия член на тяхната група и всички ги следват и тяхната група е проектирана в определена геометрична форма, въпреки че птиците нямат усещане за формите и фигурите и също така групата е направена така, че възрастните членове на групата са на границите, докато младите или новородените са в центъра.

Същите характеристики се срещат и при пожарните мравки, тези мравки са малко по-различни от другите видове мравки и са особено известни със своето групово поведение, те изграждат заедно, ядат заедно и заедно защитават своите колонии от плячката, в основата си те знаят те могат да постигнат повече, когато са в група. Наскоро беше проведено проучване на груповото поведение на тези мравки, в което беше установено, че те са в състояние да направят здрави конструкции, когато е необходимо, като например, когато е необходимо да се създаде малък мост за кросоувър.

Колективното поведение на тези социални животни и помощта на насекомите им помага да постигнат повече, въпреки всичките им ограничения. Изследователите демонстрират, че хората от тези групи не се нуждаят от никакво представяне или сложни знания, за да произвеждат толкова сложно поведение. При социалните насекоми, животни и птици индивидите не са информирани за глобалния статус на колонията. Знанията за роя се разпространяват сред всички агенти, при които индивидът не е в състояние да изпълни задачата си без останалата част от роя. Ами ако това колективно наблюдение може да бъде включено в група от роботи? Това е роевата роботика и ще научим подробно за това в тази статия .

Роботи като част от рояк

Нашата среда, в която живеем, е много вдъхновяваща за нас, много от нас се вдъхновяват за работата си от природата и околната среда, известни изобретатели като Леонардо да Винчи го направиха много добре и могат да се видят в неговите дизайни в днешния свят също правят същия процес да работи за нас за решаване на дизайнерските и инженерни проблеми като носа на куршумните влакове са вдъхновени от клюна на мерител, така че да има по-голяма скорост и да бъде по-енергийно ефективен и да произвежда относително по-малко шум, докато преминава през тунелите и има термин, измислен за това и известен като биомимикрия.

Така че за решаване на сложните задачи, при които човешката намеса е трудна и има по-голяма сложност от това, което трябва да бъде нещо повече от обикновен робот, като определени случаи, когато сграда е срутена поради земетресение и хората са депресирани под бетона, със сигурност този проблем изисква някакъв робот, който може да изпълнява няколко задачи едновременно и достатъчно малък, за да премине през бетона и помага да се получи информацията за човешкото съществуване на първо място, така че това, което ви идва на ум, група малки роботи, които са малки достатъчно и автономно създават свой собствен начин и получават информацията и тя със сигурност имитира някакъв рой от насекоми или мухи и следователно къде роевата роботика е на първо място и ето по-официалната. Роеви роботие област на мулти-роботиката, в която голям брой роботи се координират по разпределен и децентрализиран начин. базира се на използването на местни правила, малки прости роботи, вдъхновени от колективното поведение на социалните насекоми, така че голям брой прости роботи могат да превъзхождат сложна задача по по-ефективен начин от един робот, давайки стабилност и гъвкавост на групата.

Организациите и групите възникват от взаимодействията между индивидите и между индивидите и заграждащата среда, тези взаимодействия са разпръснати из цялата колония и така колонията може да решава задачи, които са трудни за решаване от едноличен индивид, което означава да се работи за постигане на обща цел.

Как Swarm Robotics се вдъхновява от социалните насекоми

Мулти-роботизираните системи поддържат някои от характеристиките на социалното насекомо като здравина, роят робот може да работи, дори ако някои от индивидите се провалят или има смущения в околната среда; гъвкавост, роякът е в състояние да създаде различни решения за различни задачи и е в състояние да промени всяка роля на робота в зависимост от необходимостта от момента. Мащабируемост, роят робот е в състояние да работи в различни размери на групи, от няколко индивида до хиляди от тях.

Характеристики на Рояк робот

Както споменахме, простият робот-рояк придобива характеристика на социалните насекоми, които са изброени, както следва

1. Роят от роботи трябва да бъде автономен и да може да усеща и действа в реална среда.

2. Броят на роботите в роя трябва да бъде достатъчно голям, за да подкрепи всяка тяхна задача като група, която те трябва да изпълнят.

3. В роя трябва да има хомогенност, в роя може да има различни групи, но те не трябва да са твърде много.

4. Един робот от роя трябва да бъде неспособен и неефективен по отношение на основната си цел, т.е. трябва да си сътрудничат, за да успеят и да подобрят представянето.

5. Необходимо е всички роботи да имат само локални способности за наблюдение и комуникация със съседния партньор на рояка, това гарантира разпределението на координацията на рояка и мащабируемостта се превръща в едно от свойствата на системата.

Мулти-роботизирани системи и роеви роботи

Роевата роботика е част от мулти-роботизираната система и като група те имат някои характеристики на своите множество оси, които определят тяхното групово поведение

Колективен размер: Колективният размер е SIZE-INF, който е N >> 1, което е противоположно на SIZE-LIM, където броят на N на робота е по-малък от съответния размер на средата, в която са поставени.

Обхват на комуникация: Обхватът на комуникация е COM-NEAR, така че роботите могат да комуникират само с роботите, които са достатъчно близо.

Комуникационна топология: Комуникационната топология за роботите в роя обикновено би била TOP-GRAPH, роботите са свързани в обща топология на графиката.

Комуникационна честотна лента: Комуникационната честотна лента е BAND-MOTION, Цената на комуникацията между двата робота е същата като при преместването на роботите между местата.

Колективна реконфигурируемост: Колективната реконфигурируемост обикновено е ARR-COMM, това е координирано споразумение с членовете, които комуникират, но също така може да бъде ARR-DYN, тоест динамичното подреждане, позициите могат да се променят произволно.

Способност за обработка: Способността за обработка е PROC-TME, където изчислителният модел е еквивалент на настройваща машина.

Колективен състав: Колективният състав е CMP-HOM, което означава, че роботите са хомогенни.

Предимства на системите с много роботики в сравнение с един робот

• Паралелизъм на задачите: Всички знаем, че задачите могат да бъдат разградими и всички сме наясно с гъвкавия метод за разработка, така че използвайки паралелизъм, групите могат да направят изпълнението на задачата по-ефективно.
• Разрешаване на задача: Група е по-мощна от единична и същото важи и за роевата роботика, където група роботи може да накара задачата да изпълни определена задача, която е невъзможна за един робот
• Разпределение при засичане : Тъй като роят има колективно засичане, така че има по-широк обхват на засичане от обхвата на един робот.
• Разпределение в действие: Група роботи могат да задействат едновременно различни действия на различни места.
• Толерантност към повреди: Неуспехът на един робот в рояк роботи в група не означава, че задачата ще се провали или не може да бъде изпълнена.

Експериментални платформи в роевата роботика

Има различни експериментални платформи, използвани за роеви роботи, което включва използването на различни експериментални платформи и различни роботизирани симулатори за стимулиране на средата на роевата роботика, без действителния необходим хардуер.

1. Роботизирани платформи

Различни роботизирани платформи се използват при различни роево-роботизирани експерименти в различни лаборатории

(i) Swarmbot

Използвани сензори: има различни сензори за подпомагане на бота, който включва сензори за обхват и камера.

Движение: Използва колела за преместване от едно на друго.

Разработено от: Разработено е от университета Райс, САЩ

Описание: SwarmBot е роботизирана платформа за роя, разработена за изследвания от университета Райс. Той може автономно да работи приблизително 3 часа с едно зареждане, също така тези ботове имат възможност за самостоятелно намиране и скачване към зарядни станции, поставени на стени.

(ii) Kobot

Използвани сензори: Той включва използването на датчик за разстояние, сензори за зрение и компас.

Движение: Използва колела за тяхното движение

Разработено от: Разработено е в изследователската лаборатория KOVAN в Техническия университет в Близкия изток, Турция.

Описание: Kobot е специално проектиран за изследвания в роевата роботика. Той е направен от няколко сензора, които го правят перфектна платформа за извършване на различни роботизирани ситуации от роя, като координирано движение. Той може да работи автономно в продължение на 10 часа с едно зареждане. Той също така включва сменяема батерия, която трябва да се презареди ръчно и най-вече се използва при изпълнението на сценарии за самоорганизиране.

(iii) S-бот

Използвани сензори: Използва различни сензори, за да накара нещата да работят като сензори за светлина, IR, позиция, сила, скорост, температура, влажност, ускорение и микрофон.

Движение: Използва дървета, прикрепени към основата му, за движенията му.

Разработено от: Разработено е от École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Швейцария.

Описание: S-bot е една от няколкото компетентни и значителни роботизирани платформи от роя, изграждани някога. той има уникален дизайн на захващане, способен да захваща предмети и други s-ботове. Също така те могат да работят около 1 час с едно зареждане.

(iv) Жасминов робот

Използвани сензори: Използва сензори за разстояние и светлина.

Разработено от: Разработено е от Университета в Щутгарт, Германия.

Движение: Прави движението си на колелата.

Описание: Мобилните роботи Jasmine са роеви роботизирани платформи, които се използват в много роботизирани изследвания на рояци.

(v) E-шайба

Използвани сензори: Използва различни сензори като разстояние, камера, лагер, ускорение и микрофон.

Разработено от: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Швейцария

Движение: Базира се на движението на колелото.

Описание: E-шайбата е предназначена основно за образователни цели и е един от най-успешните роботи. Въпреки това, поради своята простота, той често се използва и в изследователски роботи по роеви технологии. Той има сменяеми от потребителя батерии с работно време 2-4 часа.

(vi) Килобот

Използвани сензори: Използва комбинация от сензори за разстояние и светлина.

Разработено от: Харвардския университет, САЩ

Движение: Използва вибрации на системата за движение на тялото на системата.

Описание: Kilobot е умерено скорошна роботизирана платформа с рояк с уникална функция за групово зареждане и групово програмиране. Поради своята простота и ниска консумация на енергия, той има време за работа до 24 часа. Роботите се зареждат ръчно на групи в специална станция за зареждане.

2. Симулатори

Роботизираните симулатори решават проблема с хардуера, необходим за тестването на надеждността на ботовете в изкуствено симулираните параметри на реалната среда.

Съществуват много роботизирани симулатори, които могат да се използват за много-роботизирани експерименти и по-конкретно за роботизирани експерименти с рояци и всички те се различават по техническите си аспекти, но също така и по лиценза и цената. Някои от симулаторите за роевите ботове и многороботните платформи са както следва:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D е симулатор за мулти-роботиката, но е проектиран специално за робота S-Bot на проекта SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: Роботизираното студио е симулатор, разработен от Microsoft. Той позволява мулти-роботизирана симулация и изисква Windows платформата да работи.
• Webots: Webots е реалистичен мобилен симулатор, който позволява симулации с много роботи, с вече изградени модели на истинските роботи. Той може да симулира реални сблъсъци, като прилага физиката на реалния свят. Ефективността му обаче намалява при работа с повече от роботи, което прави симулациите с голям брой роботи трудни.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo е симулатор с отворен код с много роботизирани възможности и широк набор от налични роботи и сензори, готови за употреба. Той може добре да се справи със симулациите на роево-роботизирани експерименти в 2D среда с много добри резултати. Размерът на населението в околната среда може да увеличи до 1000 прости робота в реално време.

Алгоритми и техника, използвани за различни задачи в Роевата роботика

Тук ще изследваме различните техники, използвани в роевата роботика за различни прости задачи като агрегиране, разпръскване и т.н. Тези задачи са основните начални стъпки за всички високи постижения, работещи в роевата роботика.

Агрегация: Агрегирането обединява всички ботове и това е наистина важна и начална стъпка в други сложни стъпки като формиране на шаблони, самосглобяване, обмен на информация и колективни движения. Роботът използва своите сензори като сензори за близост и микрофон, който използва механизми за обмен на звук с помощта на изпълнителния механизъм като високоговорители. Сензорите помагат на един бот да намери най-близкия робот, който също се оказва в центъра на групата, където ботът трябва да се концентрира единствено върху другия бот, който е в центъра на групата и да достигне до него и същия процес е последван от всички членове на роя, които им позволяват да обединят всички.

Разпръскване: Когато роботите са събрани на едно място, следващата стъпка е да ги разпръснете в околната среда, където те работят като един съставен член на рояка, а това също помага при изследването на околната среда, всеки бот от роя работи като единичен сензор, когато е оставен да се изследва. За разпръскването на роботите са предложени и използвани различни алгоритми, като един от подходите включва алгоритъма на потенциалното поле за разпръскване на роботите, при който роботите се отблъскват от препятствията и други роботи, които позволяват на роевата среда да се разпръсне линейно.

Един от другите подходи включва дисперсия, базирана на четене на безжичните сигнали за интензивност, безжичните сигнали за интензивност позволяват на роботите да се разпръснат без знанието на най-близките си съседи, те просто улавят безжичните интензитети и ги подреждат, за да ги разпръснат в околната среда.

Формиране на модели: Формирането на модели в роевата роботика е основна характеристика на тяхното колективно поведение, тези модели могат много да помогнат, когато трябва да се реши проблем, който включва цялата група да работи заедно. При формирането на шаблони ботовете създават глобална форма, като променят частта на отделните роботи, където всеки бот има само локална информация.

Рой от роботи формира структура с вътрешна и външна определена форма. Правилата, които карат частицата / роботите да се обединяват в желаната формация, са локални, но се появява глобална форма, без да има никаква глобална информация по отношение на отделен член на роя. Алгоритъмът използва виртуални пружини между съседните частици, като взема предвид колко съседи имат.

Колективно движение: Какво е значението на екип, ако всички те не могат да решат проблема заедно и това е най-добрата част от рояка? Колективното движение е начин да позволите да координирате група роботи и да ги накарате да се движат заедно като група по сплотен начин. Това е основен начин за изпълнение на някои колективни задачи и може да бъде класифициран в два типа формиране и събиране.

Има много методи за колективно движение, но само онези, които позволяват мащабируемост с нарастващ брой роботи, са обезпокоителни, когато всеки робот разпознава относителното положение на своя съсед и реагира със съответните сили, които могат да бъдат привлекателни или отблъскващи, за да формират структури за колективни движения.

Разпределяне на задачи: Разпределението на задачите е проблематична област в роевата роботика въз основа на разделението на труда. Въпреки това, има различни методи, използвани за разделението на труда, един от тях е, че всеки робот ще наблюдава задачите на други роботи и поддържа историята за същото и по-късно може да промени собственото си поведение, за да се впише в задачата, този метод се основава на клюкарска комуникация и със сигурност има своите плюсове за по-добра производителност, но в същото време има заблуда, че поради ограничена устойчивост и загуба на пакети по време на комуникация се оказва по-малко мащабируема. При другия метод задачите се обявяват от някои от роботите и определен брой други роботи ги посещават едновременно, това е прост и реактивен метод.

Търсене на източник: Роевата роботика е много успешна в задачата за търсене на източника, особено когато източникът за търсене е сложен, например в случай на звук или миризма. Търсенето от роевата роботика се извършва по два начина, един е глобален, друг е локален, а разликата между двете е комуникацията. Един с глобалната комуникация между роботите, в който роботите са в състояние да намерят глобалния максимален източник. Другият е ограничен само до локална комуникация между роботите, за да се намерят локалните максимуми.

Транспортиране на предмети: Мравките имат колективен транспорт на предмети, при които отделна мравка чака другия партньор за сътрудничество, ако обектът, който трябва да бъде транспортиран, е твърде тежък. При същите леки роботи роят кара нещата да се развиват по същия начин, където всеки робот има предимството да получи сътрудничество от останалите роботи за транспортиране на обектите. S-bots предлага чудесна платформа за решаване на проблема с транспорта, където те се самосглобяват, за да си сътрудничат и техният алгоритъм се мащабира, ако обектът, който трябва да бъде транспортиран, е тежък.

Другият метод е колективно транспортиране на обекти, където обектите се събират и съхраняват за по-късно транспортиране, тук роботите имат две различни задачи - събиране на предметите и поставянето им в количка и колективно преместване на количката, носеща тези предмети.

Колективно картографиране: Колективното картографиране се използва за изследване и картографиране на големите закрити площи с помощта на голям брой роботи.

При един метод картографирането се извършва от двете групи от два робота, които обменят информация, за да обединят картите. Другият метод е базиран на роли, при който роботът може да поеме някоя от двете роли, които се движат или ориентир, които може да замени за движението на роя. Също така, роботите имат определена оценка на тяхното положение, така че трябва да направят оценка на местоположението на останалите роботи, така че да се изгради колективна карта.

Приложението в реалния свят на роевата роботика

Въпреки че обширното изследване на роевата роботика е започнало около 2012 г. и до момента не е излязло с търговското приложение в реалния свят, то се използва за медицински цели, но не в такъв мащаб и все още е в процес на тестване. Има различни причини, поради които тази технология не излиза комерсиално.

Проектиране на алгоритъм за индивидуално и глобално: Колективното поведение на роя произлиза от индивида, което изисква да се проектира един робот и неговото поведение и в момента не съществува метод за преминаване от индивидуалното към груповото поведение.

Тестване и внедряване: Обширни изисквания за лабораториите и инфраструктурата за по-нататъшно развитие.

Анализ и моделиране: Различните основни задачи, изпълнявани в роевата роботика, предполагат, че те са нелинейни и затова изграждането на математически модели за тяхната работа е доста трудно

Освен тези предизвикателства, има и други предизвикателства за сигурността на индивида и рояка поради техния опростен дизайн

(i) Физическо улавяне на роботите.

(ii) Идентичност на индивида в рояка, който роботът трябва да знае дали взаимодейства с робот от своя рой или друг рой.

(iii) Комуникационни атаки срещу индивида и роя.

Основната цел на роевата роботика е да обхване широк регион, където роботите могат да се разпръснат и да изпълнят съответните си задачи. Те са полезни за откриване на опасни събития като течове, наземни мини и т.н. и основното предимство на разпределена и подвижна мрежа от сензори е, че може да усети широката площ и дори да действа върху нея.

Приложенията на роевата роботика са наистина обещаващи, но все още има нужда от нейното развитие както в алгоритмична, така и в моделираща част.