Introducere în robotica roiului

Interacțiunea, înțelegerea și apoi răspunsul la situație sunt unele dintre cele mai mari trăsături ale oamenilor și acestea sunt lucrurile care ne fac ceea ce suntem. Suntem născuți pentru a trăi într-o societate socială și am știut întotdeauna despre noi că suntem cea mai bună manieră creatură socială cunoscută de la crearea acestei planete.

Cultura socială și interacțiunea unul cu celălalt pentru a ajuta la atingerea unui scop comun nu se găsesc doar la oameni, ci și la alte specii ale acestei planete, cum ar fi o turmă de păsări sau pești sau albine, toate acestea având un singur lucru în comun pe care îl au un comportament colectiv. Când păsările migrează, se vede adesea că se află într-un grup condus de membrul principal al grupului lor și toate le urmăresc, iar grupul lor este proiectat într-o anumită formă geometrică, în ciuda faptului că păsările nu au sensul formelor și figurilor și de asemenea, grupul este făcut astfel încât membrii superiori ai grupului să se afle la granițe, în timp ce tinerii sau nou-născuții sunt în centru.

Aceleași caracteristici se întâlnesc la furnicile de foc, aceste furnici sunt puțin diferite de alte specii de furnici și sunt cunoscute mai ales pentru comportamentul lor în grup, se construiesc împreună, mănâncă împreună și își apără coloniile de pradă împreună, practic știu pot realiza mai mult atunci când sunt într-un grup. Un studiu recent a fost efectuat asupra comportamentului de grup al acestor furnici, în care s-a constatat că erau capabile să facă structuri puternice ori de câte ori este nevoie, cum ar fi atunci când este necesar pentru a crea un mic pod pentru trecere.

Comportamentul colectiv al acestor animale sociale și ajutorul insectelor îi ajută să realizeze mai mult în ciuda tuturor constrângerilor lor. Cercetătorii au demonstrat că indivizii acestor grupuri nu au nevoie de nicio reprezentare sau cunoștințe sofisticate pentru a produce astfel de comportamente complexe. La insectele sociale, animale și păsări, indivizii nu sunt informați cu privire la statutul global al coloniei. Cunoștințele despre roi sunt distribuite în toți agenții, unde un individ nu este capabil să-și îndeplinească sarcina fără restul roiului. Ce se întâmplă dacă această detectare colectivă poate fi adusă într-un grup de roboți? Aceasta este ceea ce este robotica roiului și vom afla despre acest lucru în detaliu în acest articol .

Roboții ca parte a unui roi

Mediul nostru în care trăim este foarte inspirat pentru noi, mulți dintre noi ne inspirăm pentru munca lor din natură și din mediu, inventatori renumiți precum Leonardo da Vinci au făcut-o foarte bine și pot fi văzuți în desenele sale din lumea de astăzi fac, de asemenea, același proces să funcționeze pentru noi pentru rezolvarea problemelor de proiectare și inginerie, cum ar fi nasul trenurilor glonț sunt inspirate din ciocul pescărușului, astfel încât acesta să aibă mai multă viteză și să fie mai eficient din punct de vedere energetic și să producă relativ mai puțin zgomot la trecere tunelurile și există un termen inventat pentru acest lucru și este cunoscut sub numele de Biomimicry.

Deci, pentru a rezolva sarcinile complexe în care intervenția umană este dificilă și are o complexitate mai mare a ceea ce trebuie să fie mai mult decât un robot mediu, cum ar fi anumite cazuri de utilizare în care o clădire este prăbușită din cauza unui cutremur și oamenii sunt deprimați sub beton, cu siguranță această problemă necesită un fel de robot care poate rula mai multe sarcini simultan și suficient de mici pentru a trece prin beton și ajută la obținerea informațiilor despre existența umană în primul rând, deci ceea ce vă vine în minte, un grup de roboți mici care sunt mici suficient și în mod autonom își creează propriul mod și obțin informațiile și cu siguranță imită un oarecare roi de insecte sau muște și de unde robotica roiului intră pe primul loc și iată cea mai formală. Robotică de roieste un domeniu al multi-roboticii în care un număr mare de roboți sunt coordonați într-un mod distribuit și descentralizat. se bazează pe utilizarea regulilor locale, mici roboți simpli inspirați de comportamentul colectiv al insectelor sociale, astfel încât un număr mare de roboți simpli să depășească o sarcină complexă într-un mod mai eficient decât un singur robot, oferind robustete și flexibilitate grupului.

Organizațiile și grupul iau naștere din interacțiunile dintre indivizi și dintre indivizi și mediul înconjurător, aceste interacțiuni sunt împrăștiate în întreaga colonie și astfel colonia poate rezolva sarcini dificil de rezolvat de către un singur individ, ceea ce înseamnă să lucreze către un scop comun.

Cum Swarm Robotics este inspirată de la Insecte sociale

Sistemele multi-robotice mențin unele dintre caracteristicile insectelor sociale precum robustețea, roiul robot poate funcționa chiar dacă unii dintre indivizi eșuează sau există perturbări în mediul înconjurător; flexibilitate, roiul este capabil să creeze soluții diferite pentru sarcini diferite și poate schimba fiecare rol al robotului în funcție de necesitatea momentului. Scalabilitate, roiul robot este capabil să funcționeze în diferite dimensiuni de grup, de la câțiva indivizi până la mii dintre ei.

Caracteristicile Robot Swarm

Așa cum s-a spus, roiul simplu robotizat capătă o caracteristică a insectelor sociale, care sunt listate după cum urmează

1. Roiul de roboți trebuie să fie autonom și capabil să simtă și să acționeze în mediul real.

2. Numărul de roboți dintr-un roi trebuie să fie suficient de mare pentru a-și susține fiecare sarcină ca grup pe care trebuie să îl îndeplinească.

3. Ar trebui să existe omogenitate în roi, pot exista diferite grupuri în roi, dar nu ar trebui să fie prea multe.

4. Un singur robot al roiului trebuie să fie incapabil și ineficient în raport cu obiectivul principal, adică trebuie să colaboreze pentru a reuși și a îmbunătăți performanța.

5. Este necesar ca toți roboții să aibă doar capacități locale de detectare și comunicare cu partenerul vecin al roiului, acest lucru asigurând coordonarea roiului este distribuită și scalabilitatea devine una dintre proprietățile sistemului.

Sisteme multi-robotice și robotică Swarm

Robotica Swarm face parte din sistemul multi-robot și, ca grup, au unele caracteristici ale axelor lor multiple care definesc comportamentul lor de grup

Dimensiune colectivă: dimensiunea colectivă este SIZE-INF, care este N >> 1, care este opus SIZE-LIM, unde numărul N-ului robotului este mai mic decât dimensiunea mediului respectiv în care sunt introduși.

Interval de comunicare: Intervalul de comunicare este COM-NEAR, astfel încât roboții pot comunica numai cu roboții care sunt suficient de apropiați.

Topologie de comunicare: Topologia de comunicare pentru roboții din roi ar fi în general TOP-GRAPH, roboții sunt legați într-o topologie de grafic generală.

Lățime de bandă de comunicație: Lățimea de bandă de comunicare este BAND-MOTION, costul comunicării între cei doi roboți este același cu mutarea roboților între locații.

Reconfigurabilitate colectivă: Reconfigurabilitatea colectivă este în general ARR-COMM, aceasta este o coordonare coordonată cu membrii care comunică, dar ar putea fi și ARR-DYN, adică aranjamentul dinamic, pozițiile se pot schimba aleatoriu.

Capacitatea de proces: Capacitatea de proces este PROC-TME, unde modelul de calcul este un echivalent al mașinii de reglare.

Compoziția colectivă: Compoziția colectivă este CMP-HOM, ceea ce înseamnă că roboții sunt omogeni.

Avantajele sistemelor multi-robotice în comparație cu un singur robot

• Paralelismul sarcinilor: știm cu toții că sarcinile ar putea fi descompozabile și suntem cu toții conștienți de metoda de dezvoltare agilă, astfel încât, folosind paralelismul, grupurile pot face pentru a îndeplini sarcina mai eficient.
• Activarea activității: un grup este mai puternic decât unul și același lucru este valabil și pentru robotica roiului, unde un grup de roboți poate face sarcina să îndeplinească o anumită sarcină care este imposibilă pentru un singur robot
• Distribuția în detectare: Deoarece roiul are o detectare colectivă, acesta are o gamă mai largă de detectare decât gama unui singur robot.
• Distribuție în acțiune: un grup de roboți poate acționa acțiuni diferite în diferite locuri în același timp.
• Toleranță la erori: eșecul unui singur robot într-un roi de roboți dintr-un grup nu implică faptul că sarcina va eșua sau nu poate fi realizată.

Platforme experimentale în robotica swarmului

Există diferite platforme experimentale utilizate pentru robotica roiurilor, care implică utilizarea diferitelor platforme experimentale și a simulatoarelor robotice diferite pentru a stimula mediul roboticii roiurilor fără hardware-ul real necesar.

1. Platforme robotice

Diferite platforme robotizate sunt utilizate în diferite experimente robotice de roi în diferite laboratoare

(i) Swarmbot

Senzori utilizați: are diferiți senzori pentru a ajuta robotul să includă senzori de distanță și cameră.

Mișcare: folosește roți pentru deplasarea de la una la alta.

Dezvoltat de: Este dezvoltat de Rice University, SUA

Descriere: SwarmBot este o platformă robotică de roi dezvoltată pentru cercetare de către Universitatea Rice. Poate funcționa în mod autonom timp de aproximativ 3 ore dintr-o singură încărcare, de asemenea, acești roboți sunt auto-activați pentru a găsi și a se andoca la stațiile de încărcare plasate pe pereți.

(ii) Kobot

Senzori utilizați: implică utilizarea senzorului de distanță, a senzorilor de viziune și a busolei.

Mișcare: folosește roți pentru mișcarea lor

Dezvoltat de: Este dezvoltat în laboratorul de cercetare KOVAN de la Universitatea Tehnică din Orientul Mijlociu, Turcia.

Descriere: Kobot este special conceput pentru cercetarea în robotica roiurilor. Este alcătuit din mai mulți senzori care îl fac o platformă perfectă pentru efectuarea diferitelor situații robotice de roi, cum ar fi mișcarea coordonată. Poate funcționa autonom timp de 10 ore la o singură încărcare. Acesta include, de asemenea, o baterie înlocuibilă care urmează să fie reîncărcată manual și este folosită în cea mai mare parte în implementarea scenariilor de auto-organizare.

(iii) S-bot

Senzori utilizați: utilizează diferiți senzori pentru ca lucrurile să funcționeze, cum ar fi senzori de lumină, IR, poziție, forță, viteză, temperatură, umiditate, accelerație și microfon.

Mișcare: folosește treelii atașați la baza sa pentru mișcări.

Dezvoltat de: Este dezvoltat de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Elveția.

Descriere: S-bot este una dintre mai multe platforme robotice competente și substanțiale construite vreodată. are un design unic de prindere capabil să prindă obiecte și alți s-bots. De asemenea, pot rezolva aproximativ 1 oră la o singură încărcare.

(iv) Jasmine Robot

Senzori utilizați: utilizează senzori de distanță și de lumină.

Dezvoltat de: Este dezvoltat de Universitatea din Stuttgart, Germania.

Mișcare: își face mișcarea pe roți.

Descriere: Roboții mobili Jasmine sunt o platformă robotică de roi care este utilizată în multe cercetări robotice de roi.

(v) E-Puck

Senzori utilizați: folosește o varietate de senzori, cum ar fi distanța, camera, rulmentul, accelerația și un microfon.

Dezvoltat de: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Elveția

Mișcare: se bazează pe mișcarea roții.

Descriere: E-puck este conceput în principal în scopuri educaționale și este unul dintre cei mai de succes roboți. Cu toate acestea, datorită simplității sale, este adesea folosit și în cercetarea roboticii roiurilor. Are baterii înlocuibile de utilizator cu un timp de lucru de 2-4 ore.

(vi) Kilobot

Senzori utilizați: utilizează o combinație de senzori de distanță și de lumină.

Dezvoltat de: Universitatea Harvard, SUA

Mișcare: folosește vibrațiile sistemului pentru mișcarea corpului sistemului.

Descriere: Kilobot este o platformă robotică de roi moderat recentă, cu o funcție unică de încărcare de grup și programare de grup. Datorită simplității sale și a consumului redus de energie, are un timp de funcționare de până la 24 de ore. Roboții sunt încărcați manual în grupuri într-o stație specială de încărcare.

2. Simulatoare

Simulatoarele robotice rezolvă problema hardware-ului necesar testării credibilității roboților în parametrii mediului real simulat artificial.

Există multe simulatoare robotice care pot fi utilizate pentru experimente multi-robotice, și mai precis pentru experimentele robotice de roi și toate diferă prin aspectele lor tehnice, dar și prin licență și cost. Unele dintre simulatoarele pentru roboții de roi și platformele multi-robotice sunt după cum urmează:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D este un simulator pentru multi-robotică, dar proiectat special pentru robotul S-Bot al proiectului SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: Studiul robotizat este un simulator dezvoltat de Microsoft. Permite simulare multi-robotică și necesită rularea platformei Windows.
• Webots: Webots este un simulator mobil realist care permite simulări multi-robot, cu modele deja construite ale roboților reali. Poate simula coliziuni reale prin aplicarea fizicii lumii reale. Cu toate acestea, performanța sa scade atunci când se lucrează cu mai mult decât roboți, ceea ce face dificile simulările cu un număr mare de roboți.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo este un simulator open source cu capabilități multi-robotice și un set larg de roboți și senzori disponibili gata de utilizare. Poate face față simulărilor experimentelor robotice de roi într-un mediu 2D cu rezultate foarte bune. Dimensiunea populației din mediu poate scala până la 1000 de roboți simpli într-un timp real.

Algoritmi și tehnică folosite pentru diverse sarcini în robotica swarmului

Aici vom explora diferitele tehnici utilizate în robotica roiurilor pentru diferite sarcini simple, cum ar fi agregarea, dispersia etc. Aceste sarcini sunt pașii inițiali de bază pentru toate lucrările de ultimă generație în robotica roiurilor.

Agregare: Agregarea reunește toți roboții și este cu adevărat important și pasul inițial în alte etape complexe, cum ar fi formarea de tipare, auto-asamblare, schimb de informații și mișcări colective. Un robot își folosește senzorii, cum ar fi senzorii de proximitate și microfonul, care utilizează mecanisme de schimb de sunet cu ajutorul dispozitivului de acționare, cum ar fi difuzoarele. Senzorii ajută un singur bot să găsească cel mai apropiat robot care se dovedește, de asemenea, a fi centrul grupului, unde botul trebuie să se concentreze exclusiv pe celălalt bot care se află în centrul grupului și să ajungă la acesta și la același proces este urmat de toți membrii roiului care îi lasă să le agregeze pe toate.

Dispersie: Când roboții sunt agregați într-un singur loc, următorul pas este dispersarea lor în mediul în care funcționează ca un singur membru al roiului și acest lucru ajută, de asemenea, la explorarea mediului, fiecare robot al roiului ca un singur senzor atunci când este lăsat să exploreze. Au fost propuși și utilizați diferiți algoritmi pentru dispersia roboților, una dintre abordări include algoritmul potențial de câmp pentru dispersia roboților în care roboții sunt respinși de obstacole și alți roboți care permit mediului de roi să se disperseze liniar.

Una dintre celelalte abordări implică dispersia bazată pe citirea semnalelor de intensitate fără fir, semnalele de intensitate fără fir permit roboților să se disperseze fără știrea celor mai apropiați vecini, ei doar prind intensitățile fără fir și le aranjează pentru a le dispersa în mediul înconjurător.

Formarea tiparelor : Formarea tiparelor în robotica roiurilor este o caracteristică majoră a comportamentului lor colectiv, aceste tipare pot fi foarte utile atunci când urmează să fie rezolvată o problemă care implică întregul grup să lucreze împreună. În formarea modelului, roboții creează o formă globală prin schimbarea porțiunii roboților individuali în care fiecare bot are doar informații locale.

Un roi de roboți formează o structură cu o formă internă și externă definită. Regulile care fac ca particula / roboții să se agregeze în formația dorită sunt locale, dar apare o formă globală, fără a avea nicio informație globală cu privire la un membru individual al roiului. Algoritmul folosește arcuri virtuale între particulele vecine, luând în considerare câți vecini au.

Mișcare colectivă: Care este semnificația unei echipe dacă toți nu pot rezolva problema împreună și aceasta este cea mai bună parte a unui roi? Mișcarea colectivă este un mod de a permite să coordonezi un grup de roboți și să-i faci să se miște împreună ca grup într-un mod coeziv. Este un mod de bază de a realiza unele sarcini colective și poate fi clasificat în două tipuri de formare și flocare.

Există multe metode de mișcare colectivă, dar numai cele care permit scalabilitatea cu un număr tot mai mare de roboți sunt îngrijorătoare, în cazul în care fiecare robot recunoaște poziția relativă a vecinului său și reacționează cu forțele respective care ar putea fi atractive sau respingătoare pentru a forma structuri pentru mișcări colective.

Alocarea sarcinilor: Alocarea sarcinilor este un domeniu problematic în robotica roiului pe baza diviziunii muncii. Cu toate acestea, există diferite metode utilizate pentru divizia de muncă, una dintre ele este că fiecare robot ar păstra o observație asupra sarcinilor altui robot și își va menține istoricul pentru același lucru și mai târziu își poate schimba propriul comportament pentru a se încadra în sarcină, această metodă se bazează pe comunicarea de bârfe și cu siguranță are avantajele sale de a oferi o performanță mai bună, dar în același timp are un con că, datorită robusteții limitate și a pierderii de pachete în timpul comunicării, se dovedește a fi mai puțin scalabil. În cealaltă metodă, sarcinile sunt anunțate de unii dintre roboți și un anumit număr de alți roboți le participă simultan, este o metodă simplă și reactivă.

Căutarea unei surse: Robotica Swarm are un mare succes în sarcina căutării sursei, mai ales atunci când sursa căutării este complexă, ca și în cazul sunetului sau al mirosului. Căutarea prin robotica roiului se face în două moduri, una este globală, alta este locală, iar diferența dintre cele două este comunicarea. Unul cu comunicarea globală între roboții în care roboții sunt capabili să găsească sursa maximă globală. Cealaltă este limitată doar la comunicarea locală între roboți pentru a găsi maximele locale.

Transportul obiectelor: furnicile au transport colectiv de obiecte în cazul în care o furnică individuală îl așteaptă pe celălalt partener pentru cooperare dacă obiectul care urmează să fie transportat este prea greu. Sub aceiași roboți ușori, roiul face ca lucrurile să funcționeze în același mod în care fiecare robot are avantajul de a obține cooperare de la ceilalți roboți pentru transportul obiectelor. S-bots oferă o platformă excelentă pentru rezolvarea problemei transportului în care se auto-asamblează pentru a coopera și algoritmul lor se mărește dacă obiectul care urmează să fie transportat să fie greu.

Cealaltă metodă este transportul colectiv al obiectelor în care obiectele sunt colectate și depozitate pentru transport ulterior, aici roboții au două sarcini diferite - colectarea obiectelor și plasarea lor într-un cărucior și deplasarea colectivă a căruței care transportă acele obiecte.

Cartografiere colectivă: Cartografierea colectivă este utilizată pentru explorarea și cartarea marilor zone interioare folosind un număr mare de roboți.

Într-o metodă, cartarea este realizată de către grupul de doi roboți, care schimbă informații pentru a îmbina hărțile. Cealaltă metodă este bazată pe rol, în care robotul își poate asuma oricare dintre cele două roluri în mișcare sau reper pe care le pot schimba pentru mișcarea roiului. De asemenea, roboții au o anumită estimare a poziției lor, așa că trebuie să aibă o estimare a locației celorlalți roboți, astfel încât să construiască o hartă colectivă.

Aplicația reală a roboticii roiului

Deși cercetările ample privind robotica roiurilor au început în jurul anului 2012 până în prezent, nu au apărut cu aplicația comercială din lumea reală, aceasta este utilizată în scopuri medicale, dar nu la o scară atât de mare și încă este în curs de testare. Există diferite motive în spatele că această tehnologie nu este comercializată.

Proiectarea algoritmului pentru individ și global: Comportamentul colectiv al roiului iese din individ care necesită proiectarea unui singur robot și comportamentul acestuia și în prezent nu există nicio metodă de a trece de la individ la comportamentul de grup.

Testare și implementare: Cerințe extinse pentru laboratoare și infrastructură pentru dezvoltare ulterioară.

Analiză și modelare: Diferitele sarcini de bază efectuate în robotica roiurilor sugerează că acestea sunt neliniare și, prin urmare, construirea modelelor matematice pentru lucrul lor este destul de grea

Pe lângă aceste provocări, există și alte provocări de securitate pentru individ și roi datorită designului lor simplu

(i) Captarea fizică a roboților.

(ii) Identitatea individului din roi, că robotul trebuie să știe dacă interacționează cu un robot al roiului său sau cu un alt roi.

(iii) atacuri de comunicare asupra individului și a roiului.

Scopul principal al roboticii de roi este de a acoperi o regiune largă în care roboții ar putea dispersa și îndeplini sarcinile lor respective. Acestea sunt utile pentru detectarea evenimentelor periculoase, cum ar fi scurgerile, minele terestre etc., iar principalul avantaj al unei rețele distribuite și mobile de senzori este că poate simți zona largă și chiar acționa asupra ei.

Aplicațiile roboticii de roi sunt cu adevărat promițătoare, dar există încă o nevoie pentru dezvoltarea sa atât în ​​partea algoritmică, cât și în cea de modelare.