Úvod do rojové robotiky

Interakce, porozumění a následné reakce na situaci jsou jedny z největších rysů člověka a to jsou věci, díky nimž jsme tím, čím jsme. Narodili jsme se, abychom žili v sociální společnosti, a vždy jsme o nás věděli, že jsme nejzachovalejším společenským stvořením známým od vzniku této planety.

Sociální kultura a vzájemná interakce v zájmu společného cíle se nevyskytují jen u lidí, ale také u jiných druhů této planety, jako je hejno ptáků, ryb nebo včel, vše, co mají, mají jednu společnou věc, kterou mají kolektivní chování. Když ptáci migrují, je často vidět, že jsou ve skupině, kterou vede vedoucí člen jejich skupiny, a všichni je sledují a jejich skupina je navržena v konkrétních geometrických tvarech, přestože ptáci nemají žádný smysl pro tvary a postavy a skupina je také vytvořena tak, že vyšší členové skupiny jsou na hranici, zatímco mladí nebo novorozenci jsou ve středu.

Stejné vlastnosti se vyskytují u mravenců ohnivých, tito mravenci se trochu liší od ostatních druhů mravenců a jsou známí zejména svým skupinovým chováním, staví se společně, jedí společně a společně brání své kolonie před kořistemi, v podstatě vědí mohou dosáhnout více, když jsou ve skupině. Nedávná studie byla prováděna o skupinovém chování těchto mravenců, kde bylo zjištěno, že jsou schopni vytvořit silné struktury, kdykoli je to potřeba, například když je potřeba vytvořit malý most k přechodu.

Kolektivní chování těchto sociálních zvířat a pomoc hmyzu jim pomáhá dosáhnout více navzdory všem jejich omezením. Vědci prokázali, že jednotlivci těchto skupin nepotřebují k vytvoření tak složitého chování žádné zastoupení nebo sofistikované znalosti. U sociálního hmyzu nejsou jedinci zvířat a ptáků informováni o globálním stavu kolonie. Znalost roje je distribuována mezi všechny agenty, kde jednotlivec není schopen splnit svůj úkol bez zbytku roje. Co když lze toto kolektivní snímání přivést do skupiny robotů? Taková je rojová robotika a podrobně se o ní dozvíme v tomto článku .

Roboti jako součást roje

Naše prostředí, ve kterém žijeme, je pro nás velmi inspirativní, mnozí z nás berou inspiraci pro svou práci z přírody a životního prostředí, slavní vynálezci jako Leonardo da Vinci to udělali velmi dobře a je vidět na jeho návrzích v dnešním světě jsme také nám dělají stejný proces pro řešení konstrukčních a technických problémů, jako je nos kulkových vlaků inspirován zobákem ledňáčka říčního, aby měl větší rychlost a byl energeticky účinnější a při průchodu produkoval relativně méně hluku tunely a existuje termín vytvořený pro toto a jeho známý jako Biomimicry.

Takže k vyřešení složitých úkolů, kde je lidský zásah obtížný a má větší složitost toho, co musí být více než jen průměrný robot, jako jsou určité případy použití, kdy se budova zhroutila kvůli zemětřesení a lidé jsou pod betonem v depresi, určitě tento problém vyžaduje nějaký druh robota, který dokáže spouštět více úkolů najednou a dostatečně malý, aby to prošel konkrétním způsobem, a pomáhá získat informace o lidské existenci na prvním místě, takže co vás napadne, skupina malých robotů, kteří jsou malí dost a samostatně si vytvořit svůj vlastní způsob a získat informace a určitě to napodobuje nějaký druh roje hmyzu nebo much, a tudíž místo, kde rojová robotika přichází na první místo a tady je ta formálnější. Roj robotikaje obor multi-robotiky, ve kterém je velké množství robotů koordinováno distribuovaným a decentralizovaným způsobem. je založen na použití místních pravidel, malých jednoduchých robotů inspirovaných kolektivním chováním sociálního hmyzu, takže velký počet jednoduchých robotů může překonat složitý úkol efektivnějším způsobem než jediný robot, což skupině dává robustnost a flexibilitu.

Organizace a skupina vycházejí z interakcí mezi jednotlivci a mezi jednotlivci a okolním prostředím, tyto interakce jsou rozptýleny po celé kolonii, takže kolonie může řešit úkoly, které je obtížné vyřešit jediným jedincem, což znamená pracovat na společném cíli.

Jak je Swarm Robotics inspirován sociálním hmyzem

Multi-robotické systémy udržují některé vlastnosti sociálního hmyzu, jako je robustnost, robotický roj může fungovat, i když některý z jednotlivců selže, nebo dojde k narušení okolního prostředí; flexibilita, roj je schopen vytvářet různá řešení pro různé úkoly a je schopen měnit každou roli robota v závislosti na potřebě okamžiku. Škálovatelnost, robotický roj je schopen pracovat v různých velikostech skupin, od několika jedinců po tisíce.

Vlastnosti robotického roje

Jak již bylo řečeno, jednoduchý robotický roj získává charakteristiku společenského hmyzu, který je uveden níže

1. Roj robotů musí být autonomní a musí být schopen vnímat a jednat v reálném prostředí.

2. Počet robotů v roji musí být dostatečně velký, aby podporoval každý jejich úkol jako skupinu, kterou mají vykonávat.

3. V roji by měla být homogenita, v roji mohou být různé skupiny, ale nemělo by jich být příliš mnoho.

4. Jediný robot roje musí být neschopný a neefektivní s ohledem na jejich hlavní cíl, tj. Musí spolupracovat, aby uspěli a zlepšili výkon.

5. Všichni roboti musí mít pouze místní snímací a komunikační schopnosti se sousedním partnerem roje, což zajišťuje distribuci koordinace roje a škálovatelnost se stává jednou z vlastností systému.

Multi-robotické systémy a robotická roj

Swarm robotics je součástí multi-robotického systému a jako skupina mají některé charakteristiky svých více os, které definují jejich skupinové chování

Kolektivní velikost: Kolektivní velikostí je SIZE-INF, což je N >> 1, což je naproti SIZE-LIM, kde je počet N robota menší než jejich příslušná velikost prostředí, do které jsou vloženi.

Komunikační rozsah: Komunikační rozsah je COM-NEAR, takže roboti mohou komunikovat pouze s roboty, kteří jsou dostatečně blízko.

Topologie komunikace: Topologie komunikace pro roboty v roji by byla obecně TOP-GRAPH, roboti jsou propojeni v obecné topologii grafů.

Šířka pásma komunikace: Šířka pásma komunikace je BAND-MOTION, náklady na komunikaci mezi dvěma roboty jsou stejné jako pohyb robotů mezi místy.

Kolektivní rekonfigurovatelnost: Kolektivní rekonfigurovatelnost je obecně ARR-COMM, jedná se o koordinované uspořádání s členy, kteří komunikují, ale může to být také ARR-DYN, což je dynamické uspořádání, pozice se mohou náhodně měnit.

Schopnost procesu: Schopností procesu je PROC-TME, kde je výpočetní model ekvivalentem ladicího stroje.

Kolektivní složení: Kolektivní složení je CMP-HOM, což znamená, že roboti jsou homogenní.

Výhody multi-robotických systémů ve srovnání s jednoduchým robotem

• Paralelismus úkolů: Všichni víme, že úkoly by mohly být rozložitelné, a všichni jsme si vědomi metody agilního vývoje, takže pomocí paralelismu mohou skupiny provádět úkol efektivněji.
• Povolení úkolu: Skupina je silnější než jedna a totéž platí pro robotickou roj, kde skupina robotů může úkolem provést určitý úkol, který je pro jednoho robota nemožný
• Distribuce ve snímání: Protože roj má kolektivní snímání, má širší rozsah snímání než dosah jednoho robota.
• Distribuce v akci: Skupina robotů může provádět různé akce na různých místech současně.
• Tolerance chyb: Selhání jednoho robota v roji robotů ve skupině neznamená, že úkol selže nebo jej nelze splnit.

Experimentální platformy v robotické robotice

Pro rojovou robotiku se používají různé experimentální platformy, které zahrnují použití různých experimentálních platforem a různých robotických simulátorů ke stimulaci prostředí rojové robotiky bez potřeby skutečného hardwaru.

1. Robotické platformy

Různé robotické platformy se používají v různých roboticko-robotických experimentech v různých laboratořích

i) Swarmbot

Použité senzory: má různé senzory, které pomáhají robotu, včetně senzorů dosahu a kamery.

Pohyb: Využívá kolečka pro přesun z jednoho do druhého.

Vyvinuto: Vyvinuto na Rice University v USA

Popis: SwarmBot je robotická platforma pro roj vyvinutá pro výzkum na Rice University. Může autonomně pracovat přibližně 3 hodiny na jedno nabití, také tito roboti mají vlastní možnost vyhledání a připojení k nabíjecím stanicím umístěným na stěnách.

ii) Kobot

Použité senzory: Zahrnuje použití senzoru vzdálenosti, senzorů vidění a kompasu.

Pohyb: K jejich pohybu využívá kola

Vyvinuto: Vyvinuto ve výzkumné laboratoři KOVAN na Middle East Technical University v Turecku.

Popis: Kobot je speciálně navržen pro výzkum rojové robotiky. Je vyroben z několika senzorů, které z něj činí perfektní platformu pro provádění různých robotických situací roje, jako je koordinovaný pohyb. Může fungovat samostatně po dobu 10 hodin na jedno nabití. Zahrnuje také vyměnitelnou baterii, kterou je třeba dobít ručně, a většinou se používá při implementaci samoorganizujících se scénářů.

(iii) S-bot

Použité senzory: Využívá různé senzory k tomu, aby fungovaly věci, jako jsou senzory pro světlo, infračervené záření, polohu, sílu, rychlost, teplotu, vlhkost, zrychlení a mikrofon.

Pohyb: Pro své pohyby využívá výčnělky připevněné k základně.

Vyvinuto: Vyvinula ho École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ve Švýcarsku.

Popis: S-bot je jednou z několika kompetentních a podstatných rojových robotických platforem, které byly kdy postaveny. má jedinečný design chapadla schopný uchopit předměty a další s-roboty. Na jedno nabití také mohou pracovat přibližně 1 hodinu.

(iv) Jasmínový robot

Použité senzory: Využívá senzory vzdálenosti a světla.

Vyvinuto: Vyvinula jej univerzita ve Stuttgartu v Německu.

Pohyb: Pohybuje se na kolech.

Popis: Jasmine mobile robots je rojová robotická platforma, která se používá v mnoha rojových robotických výzkumech.

(v) E-puk

Použité senzory: Využívá různé senzory, jako je vzdálenost, kamera, ložisko, zrychlení a mikrofon.

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

Pohyb: Je založen na pohybu kola.

Popis: E-puk je primárně určen pro vzdělávací účely a je jedním z nejúspěšnějších robotů. Díky své jednoduchosti se však také často používá při výzkumu robotické roje. Má uživatelem vyměnitelné baterie s pracovní dobou 2-4 hodiny.

(vi) Kilobot

Použité senzory: Využívá kombinaci senzorů vzdálenosti a světla.

Vývojář: Harvard University, USA

Pohyb: Využívá vibrace systému k pohybu těla systému.

Popis: Kilobot je středně nedávná robotická platforma roje s jedinečnou funkcí skupinového nabíjení a skupinového programování. Díky své jednoduchosti a nízké spotřebě energie má provozuschopnost až 24 hodin. Roboty se nabíjejí ručně ve skupinách ve speciální nabíjecí stanici.

2. Simulátory

Robotické simulátory řeší problém hardwaru potřebného pro testování důvěryhodnosti robotů v uměle simulovaných parametrech reálného prostředí.

Existuje mnoho robotických simulátorů, které lze použít pro multi-robotické experimenty, konkrétněji pro robotické experimenty s rojem, a všechny se liší svými technickými aspekty, ale také licencí a cenou. Některé ze simulátorů pro rojové roboty a multi-robotické platformy jsou následující:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D je simulátor pro multi-robotiku, ale je navržen speciálně pro robota S-Bot projektu SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: Robotické studio je simulátor vyvinutý společností Microsoft. Umožňuje multi-robotickou simulaci a ke spuštění vyžaduje platformu Windows.
• Webots: Webots je realistický mobilní simulátor, který umožňuje simulace více robotů s již vytvořenými modely skutečných robotů. Může simulovat skutečné kolize pomocí fyziky reálného světa. Jeho výkon se však snižuje při práci s více než roboty, což ztěžuje simulace s velkým počtem robotů.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo je open source simulátor s multi-robotickými schopnostmi a širokou sadou dostupných robotů a senzorů připravených k použití. Dokáže dobře zvládnout simulace robotických experimentů v 2D prostředí s velmi dobrými výsledky. Velikost populace v prostředí může v reálném čase škálovat až 1 000 jednoduchých robotů.

Algoritmy a techniky používané pro různé úkoly v Swarm Robotics

Zde prozkoumáme různé techniky používané v rojové robotice pro různé jednoduché úkoly, jako je agregace, disperze atd. Tyto úkoly jsou základními počátečními kroky pro všechny špičkové práce v rojové robotice.

Agregace: Agregace spojuje všechny roboty dohromady a je opravdu důležitým a počátečním krokem v dalších složitých krocích, jako je formování vzorů, sebevztahování, výměna informací a kolektivní pohyby. Robot používá své senzory, jako jsou senzory přiblížení a mikrofon, které používají mechanismy výměny zvuku pomocí akčního členu, jako jsou reproduktory. Senzory pomáhají jednomu botovi najít nejbližšího robota, který se také ukáže jako střed skupiny, kde se robot musí soustředit pouze na druhého robota, který je ve středu skupiny a dosáhnout směrem k němu a stejnému procesu následují všichni členové roje, kteří jim umožňují agregovat vše.

Rozptyl: Když jsou roboti agregováni na jednom místě, dalším krokem je jejich rozptýlení v prostředí, kde pracují jako jediný člen roje, což také pomáhá při průzkumu prostředí, kde každý robot roje pracuje jako jediný senzor, když je ponechán k prozkoumání. Pro rozptyl robotů byly navrženy a použity různé algoritmy, jeden z přístupů zahrnuje algoritmus potenciálního pole pro rozptyl robotů, ve kterém jsou roboti odrazováni překážkami a jinými roboty, které umožňují lineární disperzi rojového prostředí.

Jeden z dalších přístupů zahrnuje rozptyl založený na čtení signálů bezdrátové intenzity, signály bezdrátové intenzity umožňují robotům rozptylovat se bez vědomí svých nejbližších sousedů, pouze zachytí bezdrátové intenzity a uspořádají je tak, aby je rozptýlily v okolním prostředí.

Tvorba vzorů: Tvorba vzorů v robotické roji je hlavní charakteristikou jejich kolektivního chování, tyto vzory mohou velmi pomoci při řešení problému, který zahrnuje spolupráci celé skupiny. Při tvorbě vzorů vytvářejí roboti globální tvar změnou části jednotlivých robotů, kde má každý robot pouze místní informace.

Roj robotů tvoří strukturu s vnitřním a vnějším definovaným tvarem. Pravidla, díky nimž se částice / roboti agregují v požadované formaci, jsou lokální, ale objevuje se globální tvar, aniž by byly k dispozici jakékoli globální informace týkající se jednotlivého člena roje. Algoritmus využívá virtuální pružiny mezi sousedními částicemi, přičemž bere v úvahu, kolik sousedů mají.

Kolektivní pohyb: Jaký má význam tým, pokud všichni nemohou společně vyřešit problém a to je ta nejlepší část roje? Kolektivní pohyb je způsob, jak umožnit koordinaci skupiny robotů a zajistit, aby se společně pohybovali jako skupina soudržným způsobem. Je to základní způsob provádění některých kolektivních úkolů a lze jej rozdělit na dva typy formování a flockování.

Existuje mnoho metod kolektivního pohybu, ale znepokojivé jsou pouze ty, které umožňují škálovatelnost s rostoucím počtem robotů, kde každý robot rozpozná relativní polohu svého souseda a reaguje příslušnými silami, které by mohly být atraktivní nebo odpudivé pro vytvoření struktur pro kolektivní pohyby.

Přidělování úkolů: Přidělování úkolů je problematická oblast robotické roje na základě dělby práce. Existují však různé metody používané pro dělení práce, jednou z nich je, že každý robot by sledoval úkoly jiného robota a udržoval by stejnou historii a později by mohl změnit své vlastní chování, aby se do úkolu dostal, tato metoda je založena na klábosení a jistě má své výhody lepšího výkonu, ale zároveň má kon, že kvůli omezené robustnosti a ztrátě paketů během komunikace se ukáže být méně škálovatelná. U druhé metody jsou úkoly vyhlašovány některými roboty a určitý počet dalších robotů je navštěvuje současně, je to jednoduchá a reaktivní metoda.

Hledání zdroje: Robotika roje je velmi úspěšná při hledání zdroje, zvláště když je zdroj pro vyhledávání složitý, jako v případě zvuku nebo zápachu. Hledání robotickou rojí se provádí dvěma způsoby, jeden je globální, druhý je lokální a rozdíl mezi nimi je komunikace. Jeden s globální komunikací mezi roboty, ve kterém jsou roboti schopni najít globální maximální zdroj. Druhý je omezen pouze na místní komunikaci mezi roboty, aby našel místní maxima.

Přeprava předmětů: Mravenci mají hromadnou přepravu předmětů, kde jeden mravenec čeká na druhého partnera na spolupráci, pokud je předmět, který má být přepravován, příliš těžký. Pod stejnými světelnými roboty roj dělá věci stejně, kde každý robot má tu výhodu, že získává spolupráci od ostatních robotů pro přepravu předmětů. S-roboty nabízejí skvělou platformu pro řešení problému dopravy, kde se samy sestavují, aby spolupracovaly a jejich algoritmus se zvětšuje, pokud je předmět, který má být transportován, těžký.

Druhou metodou je hromadná přeprava předmětů, kde jsou předměty shromažďovány a ukládány pro pozdější přepravu, zde mají roboti dva různé úkoly - sbírat předměty a vkládat je do vozíku a hromadně přemisťovat vozík nesoucí tyto předměty.

Kolektivní mapování: Kolektivní mapování se používá k průzkumu a mapování velkých vnitřních prostor pomocí velkého počtu robotů.

V jedné metodě mapování provádí dvě skupina dvou robotů, kteří si vyměňují informace za účelem sloučení map. Druhou metodou je role, ve které robot může převzít kteroukoli ze dvou rolí, které se pohybují nebo jsou orientačními body, které mohou vyměnit za pohyb roje. Roboti také mají určitý odhad své polohy, takže musí odhadnout polohu ostatních robotů, aby mohli vytvořit kolektivní mapu.

Skutečná aplikace rojové robotiky v reálném světě

Ačkoli rozsáhlý výzkum robotické roje začal kolem roku 2012 až dosud, dosud nepřišel s komerční aplikací v reálném světě, používá se pro lékařské účely, ale ne v tak velkém měřítku a stále se testuje. Existuje několik důvodů, proč tato technologie nevychází komerčně.

Návrh algoritmu pro jednotlivce a globály: Kolektivní chování roje vychází z jednotlivce, který vyžaduje návrh jediného robota a jeho chování, a v současné době neexistuje žádná metoda přechodu od chování jednotlivce ke skupině.

Testování a implementace: Rozsáhlé požadavky na laboratoře a infrastrukturu pro další vývoj.

Analýza a modelování: Různé základní úkoly prováděné v rojové robotice naznačují, že se jedná o nelineární procesy, a proto je vytváření matematických modelů pro jejich práci poměrně obtížné

Kromě těchto výzev existují další bezpečnostní výzvy pro jednotlivce a roj díky jejich jednoduchému designu

(i) Fyzické zachycení robotů.

(ii) Totožnost jednotlivce v roji, kterou robot musí vědět, pokud interaguje s robotem svého roje nebo jiného roje.

(iii) Komunikační útoky na jednotlivce a roj.

Hlavním cílem robotické roje je pokrýt široký region, kde by se roboti mohli rozptýlit a plnit své příslušné úkoly. Jsou užitečné pro detekci nebezpečných událostí, jako jsou úniky, miny atd., A hlavní výhodou distribuované a pohyblivé sítě senzorů je, že dokáže vnímat širokou oblast a dokonce na ni reagovat.

Aplikace robotické roje jsou opravdu slibné, ale stále existuje potřeba jejího vývoje jak v algoritmické, tak v modelové části.