Bevezetés a raj robotikájába

Az interakció, a helyzet megértése, majd reagálása az emberek egyik legnagyobb jellemzője, és ezek azok a dolgok, amelyek olyanná tesznek minket, amilyenek vagyunk. Társadalmi társadalomban születtünk, és mindig is tudtuk magunkról, hogy mi vagyunk a bolygó létrejötte óta a legjobban nevelt társadalmi lények.

A társadalmi célú kultúra és az egymással való kölcsönhatás a közös cél elérése érdekében nemcsak az emberekben, hanem a bolygó más fajaiban is megtalálható, mint például a madár-, hal- vagy méhállomány. Mindössze egy közös vonásuk van kollektív viselkedés. Amikor a madarak vándorolnak, a gyakran látott csoportba tartoznak, amelyet csoportjuk vezető tagja vezet, és mindannyian követik őket, és csoportjukat meghatározott geometriai alakzatokra tervezték annak ellenére, hogy a madaraknak nincs érzékük a formákhoz és az alakokhoz a csoport is úgy van kialakítva, hogy a csoport idősebb tagjai a határokon vannak, míg a fiatalok vagy az újszülöttek vannak a középpontban.

Ugyanezek a tulajdonságok találhatók a tűzhangyákban is, ezek a hangyák kissé eltérnek a hangyák egyéb fajaitól, és különösen a csoportos viselkedésükről ismertek, együtt építkeznek, együtt étkeznek, és együtt védik kolóniáikat a zsákmányoktól. többet érhetnek el, ha egy csoportban vannak. A hangyák csoportos viselkedésével kapcsolatban nemrégiben folytak tanulmányok, amelyek során kiderült, hogy képesek erős struktúrákat készíteni, amikor csak szükséges, például amikor szükség van egy kis híd létrehozására a keresztezéshez.

Ezeknek a szociális állatoknak a kollektív viselkedése és a rovarok segítenek abban, hogy minden kényszerük ellenére többet érjenek el. A kutatók bebizonyították, hogy e csoportok egyedeinek nincs szükségük semmilyen reprezentációra vagy kifinomult ismeretekre az ilyen összetett viselkedés kialakításához. Társadalmi rovarokban az állatok és a madarak egyedeit nem tájékoztatják a telep globális helyzetéről. A raj ismerete eloszlik az összes szeren, ahol az egyén nem képes elvégezni feladatát a raj többi része nélkül. Mi van, ha ez a kollektív érzékelés bekerülhet a robotok csoportjába? Ez az, ami a raj robotikája, és erről ebben a cikkben részletesen megismerkedünk .

Robotok a Raj részeként

Környezetünk, amelyben élünk, nagyon inspiráló számunkra, sokan inspiráljuk munkájukat a természetből és a környezetből, olyan híres feltalálók, mint a Leonardo da Vinci, nagyon jól csinálták, és a mai világban is láthatóak ugyanazt a folyamatot használják számunkra a tervezési és mérnöki problémák megoldása érdekében, mint például a golyósvonatok orrát a jégmadár csőre ihlette, hogy nagyobb sebességű, energiatakarékosabb és viszonylag kevesebb zajt termeljen át. az alagutakat, és van erre kitalált kifejezés, és Biomimicry néven ismert.

Tehát a bonyolult feladatok megoldása érdekében, ahol az emberi beavatkozás nehéz és nagyobb bonyolultsággal bír, aminek többnek kell lennie, mint egy átlagos robotnak, mint bizonyos esetek, amikor egy épület földrengés miatt összeomlik, és az emberek depressziósak a beton alatt, természetesen ez a probléma valamilyen robotra van szükség, amely egyszerre több feladatot is képes futtatni, és elég kicsi ahhoz, hogy a konkrétumon át tudjon menni, és elsősorban az emberi létezéssel kapcsolatos információk megszerzéséhez nyújt segítséget, tehát mi jut eszedbe, egy kicsi robot csoport elégségesen és önállóan hozzák létre a maguk módját, és szerezzék meg az információkat, és ez minden bizonnyal utánozza a rovarok vagy legyek valamiféle raját, és ezért a raj robotikája az első helyen áll, és itt van a hivatalosabb. Raj robotikaa multi-robotika olyan területe, amelyben nagyszámú robotot koordinálnak elosztott és decentralizált módon. a helyi szabályok használatán alapul, a szociális rovarok kollektív viselkedése által inspirált, kicsi, egyszerű robotokon, így az egyszerű robotok nagy része hatékonyabban képes felülmúlni egy összetett feladatot, mint egyetlen robot, robusztusságot és rugalmasságot biztosítva a csoport számára.

A szervezetek és a csoport az egyének közötti, valamint az egyének és a körülvevő környezet közötti interakciókból jön létre, ezek az interakciók szétszóródnak az egész kolóniában, és így a kolónia képes megoldani azokat a feladatokat, amelyeket egyetlen egyén nehezen képes megoldani, ami azt jelenti, hogy közös cél felé kell dolgozni.

Hogyan inspirálta a raj robotját a szociális rovarok

A multi-robot rendszerek fenntartják a szociális rovarok néhány jellemzőjét, például a robusztusságot, a robot raj akkor is működhet, ha az egyének egy része megbukik, vagy ha fennakadások vannak a környező környezetben; rugalmasság, a raj képes különböző megoldásokat létrehozni különböző feladatokra, és képes megváltoztatni az egyes robot szerepeket a pillanat igényétől függően. Méretezhetőség: a robot raj különböző csoportméretekben képes dolgozni, néhány egyedtől kezdve ezerig.

A robotraj jellemzői

Mint említettük, az egyszerű robotraj megszerzi a társadalmi rovarok jellemzőit, amelyeket az alábbiakban sorolunk fel

1. A robotok rajának autonómnak kell lennie, és képesnek kell lennie érzékelni és cselekedni a valós környezetben.

2. A rajban lévő robotok számának elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy minden egyes feladatukat csoportként támogassa.

3. A rajban homogenitásnak kell lennie, a rajban különböző csoportok lehetnek, de nem lehetnek túl sokak.

4. A raj egyetlen robotjának képtelennek és hatékonynak kell lennie fő céljukhoz képest, vagyis együtt kell működniük a siker és a teljesítmény javítása érdekében.

5. Minden robotnak elengedhetetlen, hogy csak helyi érzékelési és kommunikációs képességei legyenek a raj szomszédos partnerével, ez biztosítja a raj koordinációjának elosztását és a skálázhatóság a rendszer egyik tulajdonságává válik.

Multi-Robotics Systems és Swarm Robotics

A raj robotikája a multi-robot rendszer része, és mint csoport, a tengelyükön vannak olyan jellemzők, amelyek meghatározzák a csoport viselkedését

Kollektív méret: A kollektív méret a SIZE-INF, amely N >> 1, amely ellentétes a SIZE-LIM-vel, ahol a robot N-je kisebb, mint a megfelelő környezeti méret, ahová betették.

Kommunikációs tartomány: A kommunikációs tartomány COM-NEAR, így a robotok csak azokkal a robotokkal tudnak kommunikálni, amelyek elég közel vannak.

Kommunikációs topológia: A raj robotjainak kommunikációs topológiája általában TOP-GRAPH lenne, a robotok egy általános gráf topológiában vannak összekapcsolva.

Kommunikációs sávszélesség: A kommunikációs sávszélesség BAND-MOTION, a kommunikáció költsége a két robot között megegyezik a robotok helyek közötti mozgatásával.

Kollektív újracsatolhatóság: A kollektív újrakonfigurálhatóság általában ARR-COMM, ez összehangolt elrendezés a kommunikáló tagokkal, de lehet ARR-DYN is, vagyis a dinamikus elrendezés, a pozíciók véletlenszerűen változhatnak.

Folyamat képesség: Folyamat képesség PROC-TME, ahol a számítási modell egy tuning gép egyenértékű.

Kollektív összetétel: A kollektív kompozíció CMP-HOM, vagyis a robotok homogének.

A multi-robotikus rendszerek előnyei az egyetlen robothoz képest

• Feladat párhuzamosság: Mindannyian tudjuk, hogy a feladatok lebonthatók, és mindannyian tisztában vagyunk az agilis fejlesztési módszerrel, így a párhuzamosság alkalmazásával a csoportok megtehetik a feladat hatékonyabb végrehajtását.
• Feladat engedélyezése: Egy csoport erősebb, mint egyetlen, és ugyanez vonatkozik a raj robotikájára is, ahol egy robot csoport egy bizonyos robot számára lehetetlen feladat elvégzésére késztetheti a feladatot.
• Eloszlás az érzékelésben: Mivel a raj kollektív érzékeléssel rendelkezik, ezért szélesebb érzékelési tartománya van, mint egyetlen robotnak.
• Terjesztés működés közben: Robotok egy csoportja különböző műveleteket hajthat végre egyszerre különböző helyeken.
• Hibatűrés: Egy robot meghibásodása egy csoport robotjain belül nem jelenti azt, hogy a feladat kudarcot vall, vagy nem hajtható végre.

Kísérleti platformok a raj robotikájában

Különböző kísérleti platformokat használnak a raj robotikájához, amelyek magukban foglalják a különböző kísérleti platformok és különböző robot szimulátorok használatát a raj robotikájának környezetének stimulálására a tényleges hardver nélkül.

1. Robotplatformok

Különböző robotplatformokat használnak különböző raj-robot kísérletekben, különböző laboratóriumokban

i. Swarmbot

Használt érzékelők: különféle érzékelőkkel segítik a botot, beleértve a hatótávolság-érzékelőket és a kamerát.

Mozgás: Kerékeket használ az egyikről a másikra való mozgáshoz.

Fejlesztő: Az Rice University, USA fejlesztette ki

Leírás: A SwarmBot egy raj robotplatform, amelyet a Rice Egyetem kutatására fejlesztettek ki. Körülbelül 3 órán keresztül képes egyetlen töltéssel önállóan dolgozni, ezek a robotok önállóan is képesek megtalálni és kikötni a falakon elhelyezett töltőállomásokat.

(ii) Kobot

Használt érzékelők: Ez magában foglalja a távolságérzékelő, a látásérzékelők és az iránytű használatát.

Mozgás: Kerékeket használ mozgásukhoz

Fejlesztette: A törökországi Közel-Kelet Műszaki Egyetem KOVAN Kutatólaboratóriumában fejlesztették ki.

Leírás: A Kobot kifejezetten a raj robotikájának kutatásához készült. Számos érzékelőből áll, amelyek tökéletes platformot jelentenek a különböző robotrajzokhoz, például az összehangolt mozgáshoz. 10 órán keresztül képes önállóan dolgozni egyetlen feltöltéssel. Tartalmaz egy cserélhető akkumulátort is, amelyet manuálisan kell feltölteni, és leginkább önszerveződési forgatókönyvek megvalósításához használják.

(iii) S-bot

Használt érzékelők: Különböző érzékelőket használ arra, hogy a dolgok úgy működjenek, mint a fény, IR, helyzet, erő, sebesség, hőmérséklet, páratartalom, gyorsulás és mikrofon érzékelői.

Mozgás: Az alapjához rögzített treeleket használja mozgásaihoz.

Készítette: A svájci École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) fejlesztette ki.

Leírás: Az S-bot egyike a számos kompetens és jelentős raj rajza valaha épített. egyedi fogóval rendelkezik, amely képes megfogni tárgyakat és más s-botokat. Körülbelül 1 órán át edzhetnek egyetlen feltöltéssel.

(iv) Jázmin robot

Használt érzékelők: Távolság- és fényérzékelőket használ.

Készítette: A németországi Stuttgarti Egyetem fejlesztette ki.

Mozgás: A kerekeken mozog.

Leírás: A Jasmine mobil robotok egy raj robotplatformjai, amelyeket sok raj robotkutatásban használnak.

(v) E-Puck

Használt érzékelők: Különböző érzékelőket használ, például távolságot, kamerát, csapágyat, gyorsulást és mikrofont.

Készítette : École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Svájc

Mozgás: A kerék mozgásán alapul.

Leírás: Az E-korongot elsősorban oktatási célokra tervezték, és az egyik legsikeresebb robot. Az egyszerűsége miatt azonban gyakran alkalmazzák a raj robotikai kutatásában is. Felhasználó által cserélhető elemekkel rendelkezik, 2-4 órás munkaidővel.

vi. Kilobot

Használt érzékelők: távolság- és fényérzékelők kombinációját használja.

Készítette: Harvard University, USA

Mozgás: A rendszer rezgéseit használja a rendszer testének mozgatásához.

Leírás: A Kilobot egy mérsékelten legújabb raj robotprogram, amelynek egyedülálló funkciója a csoportos töltés és a csoportos programozás. Egyszerűsége és alacsony energiafogyasztása miatt akár 24 órás üzemidővel rendelkezik. A robotokat manuálisan, csoportosan töltik egy speciális töltőállomáson.

2. Szimulátorok

A robotszimulátorok megoldják a robotok hitelességének teszteléséhez szükséges hardver problémáját a mesterségesen szimulált valós környezeti paraméterekben.

Számos robot-szimulátor létezik, amelyek felhasználhatók több robotos kísérletekhez, pontosabban a raj robot-kísérleteihez, és mindegyik különbözik technikai szempontjaikban, de az engedélyben és a költségekben is. A raj botok és a multi-robot platformok szimulátorai a következők:

• SwarmBot3D: A SwarmBot3D egy szimulátor a multi-robotikához, de kifejezetten a SwarmBot projekt S-Bot robotjához készült.
• Microsoft Robotics Studio: A robotstúdió a Microsoft által kifejlesztett szimulátor. Lehetővé teszi multi-robot szimulációt és a Windows platform futtatásához szükséges.
• Webots: A Webots egy reális mobil szimulátor, amely lehetővé teszi több robot szimulációját, a valódi robotok már beépített modelljeivel. Szimulálni tudja a valós ütközéseket a valós világ fizikájának alkalmazásával. Teljesítménye azonban csökken, ha több robotnál dolgozik, ami megnehezíti a nagyszámú robot szimulációját.
• Játékos / színpad / Gazebo: A Player / stage / Gazebo egy nyílt forráskódú szimulátor, amely multi-robot képességekkel, valamint rendelkezésre álló robotok és érzékelők széles készletével rendelkezik. Nagyon jól tudja kezelni a raj-robot kísérletek szimulációit 2D környezetben, nagyon jó eredménnyel. A lakosság nagysága a környezetben valós időben akár 1000 egyszerű robotra is méretezhető.

A raj robotikájának különböző feladataihoz használt algoritmusok és technika

Itt fogjuk megvizsgálni a raj robotikájában használt különféle technikákat különféle egyszerű feladatokhoz, például aggregáláshoz, diszperzióhoz stb.

Összesítés: Az összesítés az összes botot összehozza, és ez nagyon fontos és kezdeti lépés más összetett lépésekben, mint például a mintaképzés, az önszerelés, az információcsere és a kollektív mozgások. A robot olyan szenzorokat használ, mint például a közelségi érzékelők és a mikrofon, amelyek hangcsere-mechanizmusokat használnak a működtető, például a hangszórók segítségével. Az érzékelők segítenek egyetlen botnak megtalálni a legközelebbi robotot, amely szintén kiderül, hogy a csoport középpontja, ahol a botnak kizárólag a másik botra kell koncentrálnia, amely a csoport középpontjában van, és felé kell nyúlnia, és ugyanahhoz a folyamathoz követi a raj minden tagja, amely hagyja őket összesíteni.

Szétszóródás: Ha a robotokat egyetlen helyen összesítik, akkor a következő lépés az, hogy szétszórjuk őket abban a környezetben, ahol a raj egyetlen tagjaként dolgoznak, és ez a raj felfedezésében is segítséget nyújt. egyetlen szenzorként, amikor felfedezésre hagyják. Különböző algoritmusokat javasoltak és használtak a robotok diszpergálására, az egyik megközelítés magában foglalja a potenciális terepi algoritmust azoknak a robotoknak a szétszóródására, amelyekben a robotok elhárítják az akadályokat és más robotokat, amelyek lehetővé teszik a raj környezetének lineáris szétszóródását.

A másik megközelítés magában foglalja a vezeték nélküli intenzitású jelek kiolvasásán alapuló diszperziót, a vezeték nélküli intenzitású jelek lehetővé teszik a robotok számára, hogy a legközelebbi szomszédaik tudta nélkül szétszóródjanak.

Minták kialakulása : A raj robotikájában a minták kialakulása a kollektív viselkedés egyik fő jellemzője, ezek a minták nagyon sokat segíthetnek, ha olyan problémát kell megoldani, amely magában foglalja az egész csoport együttműködését. A mintaképzés során a robotok globális alakot hoznak létre azáltal, hogy megváltoztatják az egyes robotok azon részét, ahol minden bot csak helyi információval rendelkezik.

A robotok rajja belső és külső meghatározott formájú szerkezetet alkot. Azok a szabályok, amelyek a részecskét / robotokat egyesítik a kívánt formációban, lokálisak, de globális alakzat jelenik meg, anélkül, hogy bármilyen információ állna rendelkezésre a raj egyes tagjairól. Az algoritmus virtuális rugókat használ a szomszédos részecskék között, figyelembe véve, hogy hány szomszédjuk van.

Kollektív mozgás: Mit jelent egy csapat, ha mindannyian nem tudják közösen megoldani a problémát, és ez a raj legjobb része? A kollektív mozgás lehetővé teszi, hogy összehangolják a robotok egy csoportját, és arra késztessék őket, hogy összetartva csoportosan együtt mozogjanak. Ez alapvető módja egyes kollektív feladatok elvégzésének, és kétféle csoportba sorolható: formáció és nyáj.

A kollektív mozgásnak számos módszere létezik, de csak azok jelentenek gondot, amelyek egyre nagyobb számú robotral teszik lehetővé a skálázhatóságot, ahol mindegyik robot felismeri szomszédjának relatív helyzetét, és megfelelő erőkkel reagál, amelyek vonzóak vagy visszataszítóak lehetnek a kollektív mozgások struktúrájának kialakításához.

Feladatok kiosztása : A feladatok kiosztása a raj robotikájában problematikus terület a munkamegosztás alapján. A munkamegosztáshoz azonban különféle módszereket alkalmaznak, az egyik az, hogy minden robot megfigyelést tart a többi robot feladatairól, és fenntartja ugyanezen előzményeket, majd később megváltoztathatja saját viselkedését, hogy illeszkedjen a feladathoz, ez a módszer a pletykakommunikáción alapul, és bizonyosan jobb teljesítménye van, ugyanakkor van egy olyan következménye, hogy a korlátozott robusztusság és a kommunikáció során elvesztett csomagvesztés miatt kevésbé skálázható. A másik módszerben a robotok egy része meghirdeti a feladatokat, és bizonyos számú más robot egyszerre vesz részt rajtuk, ez egy egyszerű és reaktív módszer.

Forrás keresése: A raj robotikája nagyon sikeres a forrás keresésében, különösen akkor, ha a keresés forrása összetett, például hang vagy szag esetén. A raj robotikája kétféle módon végez keresést: az egyik globális, a másik lokális, és a kettő közötti különbség a kommunikáció. Az egyik a robotok közötti globális kommunikációval, amelyben a robotok képesek megtalálni a globális maximális forrást. A másik csak a robotok közötti helyi kommunikációra korlátozódik, hogy megtalálják a helyi maximumokat.

Tárgyak szállítása: A hangyák kollektíve szállítják az objektumokat, ahol egy egyedi hangya várja a másik társat az együttműködésre, ha a szállítandó tárgy túl nehéz. Ugyanazon könnyű robotok alatt a raj a dolgokat ugyanúgy alakítja, ahol minden robotnak megvan az az előnye, hogy együttműködik a többi robotral az objektumok szállításához. Az S-botok remek platformot kínálnak a szállítás problémájának megoldására, ahol összeállnak az együttműködés érdekében, és algoritmusuk felnövekszik, ha a szállítandó tárgy nehéz.

A másik módszer a tárgyak kollektív szállítása, ahol az objektumokat összegyűjtik és tárolják a későbbi szállításhoz, itt a robotoknak két különböző feladata van - összegyűjteni a tárgyakat és egy szekérbe tenni, és együtt mozgatni az ezeket a tárgyakat hordozó szekeret.

Kollektív térképezés: A kollektív térképezést nagy beltéri területek feltárására és feltérképezésére használják nagyszámú robot segítségével.

Az egyik módszer szerint a leképezést a két robot két csoportja végzi, amelyek információt cserélnek a térképek egyesítéséhez. A másik módszer a szerepalapú, amelyben a robot felveheti a mozgó vagy iránymutató két szerep bármelyikét, amelyet kicserélhetnek a raj mozgására. Ezenkívül a robotoknak van egy bizonyos becslésük a helyzetükről, ezért meg kell becsülniük a többi robot helyét, hogy kollektív térképet készítsenek.

A raj robotjának valós világban történő alkalmazása

Habár a raj robotikájának átfogó kutatása 2012 körül kezdődött el, mindmáig nem jelent meg a valós kereskedelmi alkalmazással, orvosi célokra használják, de nem ilyen nagy léptékben, és még tesztelés alatt állnak. Különböző okok állnak annak hátterében, hogy ez a technológia nem kerül kereskedelmi forgalomba.

Algoritmus megtervezése az egyén és a globális számára: A raj kollektív viselkedése az egyéntől származik, amely megköveteli egyetlen robot és viselkedésének megtervezését, és jelenleg nem létezik módszer az egyéntől a csoportos viselkedésig.

Tesztelés és kivitelezés: A laboratóriumokra és az infrastruktúrára vonatkozó további követelmények a további fejlesztéshez.

Elemzés és modellezés: A raj robotikájában elvégzett különféle alapfeladatok arra utalnak, hogy ezek nem lineárisak, ezért a munkájukhoz szükséges matematikai modellek felépítése meglehetősen nehéz

Ezen kihívások mellett egyszerű biztonsági kialakításuknak köszönhetően további biztonsági kihívások is vannak az egyén és a raj számára

(i) A robotok fizikai rögzítése.

(ii) A raj egyedének azonossága, amelyet a robotnak tudnia kell, ha kölcsönhatásban áll raja vagy más raj robotjával.

(iii) Kommunikációs támadások az egyén és a raj ellen.

A raj robotikájának fő célja egy széles régió lefedése, ahol a robotok szétszóródhatnak és elvégezhetik feladataikat. Hasznosak olyan veszélyes események észlelésében, mint a szivárgások, a taposóaknák stb., És az elosztott és mozgatható szenzorhálózat fő előnye, hogy érzékeli a széles területet, sőt hat is rá.

A raj robotikájának alkalmazásai valóban ígéretesek, de továbbra is szükség van fejlesztésére mind algoritmikus, mind modellezési részben.