Вступ до ройової робототехніки

Взаємодія, розуміння, а потім реагування на ситуацію є одними з найбільших особливостей людей, і це те, що робить нас такими, якими ми є. Ми народжені для життя в соціальному суспільстві, і ми завжди знали про себе, що ми є найбільш вихованою соціальною істотою, відомою з моменту створення цієї планети.

Соціальна культура та взаємодія один з одним для досягнення спільної мети зустрічаються не лише у людей, але й у інших видів цієї планети, таких як зграя птахів, риб чи бджіл, і все, що у них є спільне, що вони мають колективна поведінка. Коли птахи мігрують, їх часто бачать, вони перебувають у групі, яку очолює провідний член їхньої групи, і всі йдуть за ними, і їхня група сконструйована в певній геометричній фігурі, незважаючи на те, що птахи не відчувають форм і фігур і також група створена таким чином, що старші члени групи знаходяться на межі, а молоді або новонароджені знаходяться в центрі.

Такі ж характеристики зустрічаються у пожежних мурах, ці мурахи дещо відрізняються від інших видів мурах і особливо відомі своєю груповою поведінкою, вони будують разом, їдять разом і разом захищають свої колонії від здобичі, в основному вони знають вони можуть досягти більшого, перебуваючи в групі. Нещодавнє дослідження проводилося щодо групової поведінки цих мурах, в якому було виявлено, що вони здатні створювати міцні конструкції, коли це потрібно, наприклад, коли потрібно створити невеликий міст для кросовера.

Колективна поведінка цих соціальних тварин та допомога комах допомагають їм досягти більшого, незважаючи на всі їхні обмеження. Дослідники продемонстрували, що особам цих груп не потрібні будь-які уявлення або складні знання для створення такої складної поведінки. У соціальних комах, тварин та птахів особини не інформовані про глобальний статус колонії. Знання про рій розповсюджується серед усіх агентів, де особа не може виконати своє завдання без решти рою. Що робити, якщо це колективне зондування можна включити до групи роботів? Ось що таке ройова робототехніка, і ми детально про це дізнаємось у цій статті .

Роботи у складі Рою

Наше середовище, в якому ми живемо, нас дуже надихає, багато хто з нас черпає натхнення у своїй роботі від природи та довкілля, відомі винахідники, такі як Леонардо да Вінчі, робили це дуже добре, і це можна побачити в його проектах у сучасному світі ми також робимо для нас той самий процес для вирішення конструкторських та інженерних проблем, як ніс кульових поїздів, натхненний дзьобом зимородка, щоб він мав більшу швидкість, був більш енергоефективним та виробляв відносно менше шуму під час проходження тунелі і є термін, придуманий для цього і його відомий як Biomimicry.

Отже, для вирішення складних завдань, коли втручання людини є складним і має вищу складність, ніж просто пересічний робот, як у деяких випадках, коли будівля руйнується внаслідок землетрусу, а люди пригнічені під бетоном, безумовно, ця проблема потрібен якийсь робот, який може виконувати декілька завдань одночасно і досить малий, щоб пройти це через конкретне і допомагає отримати інформацію про людське існування в першу чергу, так що, що спадає вам на думку, група маленьких роботів, які малі досить і автономно створити свій власний спосіб і отримати інформацію, і це, безумовно, імітує якийсь рій комах або мух, а отже, де ройова робототехніка виходить на перше місце, а тут - більш формальна. Ройова робототехніка- це область мультиробототехніки, в якій велика кількість роботів координується розподіленим та децентралізованим способом. він заснований на застосуванні місцевих правил, маленьких простих роботів, натхненних колективною поведінкою соціальних комах, завдяки чому велика кількість простих роботів може перевершити складне завдання більш ефективно, ніж один робот, надаючи групі стійкості та гнучкості.

Організації та групи виникають із взаємодії між окремими людьми та між окремими людьми та оточуючим середовищем; ці взаємодії розпорошені по всій колонії, і тому колонія може вирішувати завдання, які важко вирішити єдиною особою, що означає працювати задля досягнення спільної мети.

Як Ройова техніка з роєм надихається соціальними комахами

Багаторобототехнічні системи підтримують деякі характеристики соціальних комах, такі як стійкість, рой роботів може працювати, навіть якщо деякі особи виходять з ладу або в навколишньому середовищі виникають збої; гнучкість, рої здатні створювати різні рішення для різних завдань і можуть змінювати кожну роль робота залежно від потреби в моменті. Масштабованість, робочий рій здатний працювати в різних розмірах груп, від кількох осіб до тисяч з них.

Характеристика рою роботів

Як сказано, простий робот-рій набуває характеристику соціальних комах, які перелічені наступним чином

1. Рой роботів повинен бути автономним, здатним відчувати і діяти в реальному середовищі.

2. Кількість роботів у рої повинна бути достатньо великою, щоб забезпечити кожне їхнє завдання групою, яку вони повинні виконувати.

3. У рої повинна бути однорідність, у рої можуть бути різні групи, але їх не повинно бути занадто багато.

4. Один робот рою повинен бути недієздатним та неефективним щодо своєї головної мети, тобто їм потрібно співпрацювати, щоб досягти успіху та поліпшити ефективність.

5. Усі роботи повинні мати лише місцеві можливості зондування та зв'язку з сусіднім партнером рою, це забезпечує розподіл координації рою і масштабованість стає однією з властивостей системи.

Мультиробототехнічні системи та ройові роботи

Ройова робототехніка є частиною багатороботизованої системи, і як група, вони мають деякі характеристики своїх кількох осей, що визначають їх групову поведінку

Колективний розмір: Колективний розмір - це SIZE-INF, який дорівнює N >> 1, який протилежний SIZE-LIM, де кількість N роботів менше, ніж їх розмір оточуючого середовища, в який вони поміщені.

Діапазон зв'язку: Діапазон зв'язку COM-NEAR, так що роботи можуть спілкуватися лише з роботами, які знаходяться досить близько.

Топологія зв'язку: Топологія зв'язку для роботів у рої, як правило, буде ТОП-ГРАФОМ, роботи пов'язані загальною топологією графіка.

Пропускна здатність зв'язку: Пропускна здатність зв'язку - BAND-MOTION. Вартість зв'язку між двома роботами така ж, як переміщення роботів між місцями.

Колективна реконфігурація: колективна реконфігурація, як правило, ARR-COMM, це узгоджена домовленість з членами, які спілкуються, але це також може бути ARR-DYN, тобто динамічне розташування, позиції можуть змінюватися випадково.

Здатність до обробки: Здатністю до обробки є PROC-TME, де обчислювальна модель є еквівалентом налаштування машини.

Колективний склад: Колективний склад - CMP-HOM, що означає, що роботи однорідні.

Переваги мультиробототехнічних систем у порівнянні з одним роботом

• Паралельність завдань: Ми всі знаємо, що завдання можна розкласти, і всі ми знаємо про рухливий метод розробки, тому, використовуючи паралелізм, групи можуть зробити ефективніше виконувати завдання.
• Увімкнення завдання: Група є потужнішою, ніж одна, і те саме стосується робототехніки роїв, де група роботів може зробити завдання виконати певне завдання, яке неможливо для одного робота
• Розподіл у зондуванні: Оскільки рій має колективне зондування, то він має ширший діапазон зондування, ніж діапазон одного робота.
• Розподіл у дії: Група роботів може одночасно здійснювати різні дії в різних місцях.
• Толерантність до несправностей: Невдача одного робота в рої роботів у групі не означає, що завдання буде провалено або не може бути виконане.

Експериментальні платформи з ройової робототехніки

Існують різні експериментальні платформи, що використовуються для ройової робототехніки, що передбачає використання різних експериментальних платформ та різних роботизованих симуляторів для стимулювання середовища ройової робототехніки без необхідного обладнання.

1. Робототехнічні платформи

Різні роботизовані платформи використовуються в різних ройово-роботизованих експериментах у різних лабораторіях

(i) Swarmbot

Використовувані датчики: він має різні датчики, які допомагають боту вийти, включаючи датчики дальності та камеру.

Рух: Він використовує колеса для переходу від одного до іншого.

Розроблено: Розроблено Університетом Райса, США

Опис: SwarmBot - це робоча платформа для роїв, розроблена для досліджень Університетом Райса. Він може автономно працювати протягом приблизно 3 годин одноразового заряджання, також ці боти самостійно вмикають пошук і стикування до зарядних станцій, розміщених на стінах.

(ii) Кобот

Використовувані датчики: передбачає використання датчика відстані, датчиків зору та компаса.

Рух: для їх руху використовуються колеса

Розроблено: Розроблено в дослідницькій лабораторії KOVAN в Технічному університеті Близького Сходу, Туреччина.

Опис: Kobot спеціально розроблений для досліджень в ройовій робототехніці. Він виготовлений з декількох датчиків, що роблять його ідеальною платформою для виконання різноманітних робототехнічних ситуацій, таких як злагоджений рух. Він може працювати автономно протягом 10 годин на одному заряді. Він також включає змінну батарею, яку слід заряджати вручну, і вона в основному використовується при реалізації сценаріїв самоорганізації.

(iii) S-бот

Використовувані датчики: Він використовує різні датчики, щоб змусити працювати такі речі, як датчики світла, ІЧ, положення, сили, швидкості, температури, вологості, прискорення та мікрофона.

Рух: для рухів використовується дерево, прикріплене до основи.

Розроблено: Розроблено Федеральним політехнічним університетом Лозанни (EPFL), Швейцарія.

Опис: S-bot - одна з кількох грамотних та значних робочих платформ, що коли-небудь будувались. він має унікальну конструкцію захоплювача, здатний захоплювати предмети та інші s-боти. Крім того, вони можуть приблизно потренуватися протягом 1 години на одному заряді.

(iv) Жасминовий робот

Використовувані датчики: використовуються датчики відстані та світла.

Розроблено: Розроблено Університетом Штутгарта, Німеччина.

Рух: він робить свій рух на колесах.

Опис: Мобільні роботи Жасмін - це робоча платформа, яка використовується у багатьох робототехнічних дослідженнях.

(v) Електронна шайба

Використовувані датчики: він використовує різні датчики, такі як відстань, камера, підшипник, прискорення та мікрофон.

Розроблено: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Швейцарія

Рух: Він базується на русі колеса.

Опис: Електронна шайба в основному призначена для навчальних цілей і є одним з найуспішніших роботів. Однак, завдяки своїй простоті, він часто застосовується також у дослідженнях робочої рої. У ньому є користувацькі змінні батареї з робочим часом 2-4 години.

(vi) Кілобот

Використовувані датчики: використовується комбінація датчиків відстані та світла.

Розроблено: Гарвардський університет, США

Рух: Він використовує вібрації системи для руху тіла системи.

Опис: Kilobot - це нещодавно нещодавно ройова робототехнічна платформа з унікальною функцією групової зарядки та групового програмування. Завдяки своїй простоті та низькому енергоспоживанню він має час безвідмовної роботи до 24 годин. Роботи заряджаються вручну групами в спеціальній зарядній станції.

2. Тренажери

Робототехнічні симулятори вирішують проблему апаратного забезпечення, необхідного для перевірки надійності ботів у штучно змодельованих параметрах реального середовища.

Існує багато роботизованих симуляторів, які можуть бути використані для багатороботизованих експериментів, а точніше для робочих експериментів з роєм, і всі вони відрізняються своїми технічними аспектами, а також ліцензією та вартістю. Деякі симулятори для ройових ботів та багатороботних платформ такі:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D - це симулятор для мультиробототехніки, але розроблений спеціально для робота S-Bot проекту SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: Робототехнічна студія - це симулятор, розроблений Microsoft. Це дозволяє виконувати мультироботомоделювання та вимагає запуску платформи Windows.
• Webots: Webots - це реалістичний мобільний симулятор, що дозволяє моделювати багатороботні роботи з уже побудованими моделями справжніх роботів. Він може імітувати реальні зіткнення, застосовуючи фізику реального світу. Однак його ефективність знижується при роботі з більш ніж роботами, що ускладнює моделювання з великою кількістю роботів.
• Гравець / сцена / альтанка: Гравець / сцена / альтанка - це симулятор з відкритим кодом, що має багато робототехнічних можливостей та широкий набір доступних роботів та датчиків, готових до використання. Він добре справляється з моделюванням ройово-роботизованих експериментів у двовимірному середовищі з дуже хорошими результатами. Чисельність популяції в навколишньому середовищі може масштабувати до 1000 простих роботів в режимі реального часу.

Алгоритми та техніка, що використовуються для різних завдань у ройовій робототехніці

Тут ми будемо досліджувати різні методики, що використовуються в ройовій робототехніці для різних простих завдань, таких як агрегація, розподіл тощо. Ці завдання є основними початковими етапами для всіх найвищих кінцевих роботів у ройовій робототехніці.

Агрегація: Агрегація об’єднує всіх ботів, і це дійсно важливий і початковий крок у інших складних етапах, таких як формування шаблонів, самозбірки, обмін інформацією та колективні рухи. Робот використовує свої датчики, такі як датчики наближення та мікрофон, який використовує механізми звукообміну за допомогою виконавчого механізму, такого як динаміки. Датчики допомагають одному боту знайти найближчого робота, який також виявляється центром групи, де бот повинен сконцентруватися виключно на іншому боті, який знаходиться в центрі групи, і дістатись до нього, і той самий процес слідують усі члени рою, які дозволяють їм об’єднувати всіх.

Розсіювання: Коли роботи агрегуються в одному місці, наступним кроком є ​​розпорошення їх у середовищі, де вони працюють як єдиний член рою, і це також допомагає в дослідженні навколишнього середовища кожен бот рою працює як єдиний датчик, коли його залишають досліджувати. Для розпорошення роботів запропоновані та використовуються різні алгоритми, один із підходів включає алгоритм потенційного поля для розпорошення роботів, в якому роботи відбиваються перешкодами та іншими роботами, які дозволяють роєвому середовищу лінійно розсіюватися.

Один з інших підходів включає дисперсію, засновану на зчитуванні сигналів інтенсивності бездротового зв'язку; сигнали інтенсивності бездротового зв'язку дозволяють роботам розходитися без відома своїх найближчих сусідів; вони просто вловлюють інтенсивність бездротового зв'язку та влаштовують їх, щоб розпорошити їх в навколишньому середовищі.

Формування шаблонів: Формування шаблонів у ройовій робототехніці є основною характеристикою їх колективної поведінки, ці моделі можуть дуже допомогти у вирішенні проблеми, яка включає спільну роботу всієї групи. При формуванні шаблонів боти створюють глобальну форму, змінюючи частину окремих роботів, де кожен бот має лише локальну інформацію.

Рой роботів утворює структуру з визначеною внутрішньою та зовнішньою формою. Правила, які змушують частинку / робота об’єднуватись у бажаному утворенні, є локальними, але з’являється глобальна форма, не маючи жодної глобальної інформації щодо окремого члена рою. Алгоритм використовує віртуальні пружини між сусідніми частинками, враховуючи, скільки у них сусідів.

Колективний рух: Який сенс у команді, якщо всі вони не можуть разом вирішити проблему, і це найкраща частина рою? Колективний рух - це спосіб дозволити координувати групу роботів і змусити їх рухатися разом як група згуртованим способом. Це основний спосіб виконання деяких колективних завдань, і його можна класифікувати на два типи формування та стикання.

Існує багато методів колективного руху, але викликають занепокоєння лише ті, що дозволяють масштабованість із зростаючою кількістю роботів, коли кожен робот розпізнає відносне положення свого сусіда і реагує відповідними силами, які можуть бути привабливими або відразливими для формування структур колективних рухів.

Розподіл завдань: Розподіл завдань є проблематичним напрямком ройової робототехніки на основі розподілу праці. Однак існують різні методи, що використовуються для розподілу праці, один з них полягає в тому, що кожен робот буде спостерігати за завданнями іншого робота і веде історію того самого, а згодом може змінити свою поведінку, щоб пристосуватись до завдання, цей метод заснований на спілкуванні плітками, і, безумовно, він має свої плюси кращої продуктивності, але в той же час він має недолік, що через обмежену надійність і втрату пакетів під час спілкування він виявляється менш масштабованим. В іншому методі завдання оголошуються деякими роботами, і певна кількість інших роботів відвідує їх одночасно, це простий і реактивний метод.

Пошук джерела: Ройова робототехніка дуже успішно виконує завдання пошуку джерела, особливо коли джерело для пошуку є складним, як у разі звуку чи запаху. Пошук ройової робототехніки здійснюється двома шляхами: один є глобальним, інший - локальним, а різниця між ними полягає в комунікації. Той, що має глобальну комунікацію між роботами, в якій роботи можуть знайти глобальне максимальне джерело. Інший обмежується лише локальним зв’язком між роботами для пошуку локальних максимумів.

Транспортування предметів: Мурахи здійснюють колективне транспортування предметів, коли окремий мураха чекає іншого партнера для співпраці, якщо об’єкт, який потрібно транспортувати, занадто важкий. За тих самих легких роботів рій змушує речі працювати однаково, де кожен робот має перевагу, співпрацюючи з іншими роботами для транспортування об’єктів. S-bots пропонує чудову платформу для вирішення проблеми транспортування, коли вони самостійно збираються для співпраці, а їх алгоритм масштабується, якщо об'єкт, який потрібно транспортувати, важкий.

Іншим методом є колективне перевезення предметів, де предмети збираються та зберігаються для подальшого транспортування, тут у роботів є дві різні задачі - збирати предмети та поміщати їх у візок та колективно переміщати візок, що перевозить ці предмети.

Колективне картографування: Колективне картографування використовується для дослідження та картографування великих закритих площ за допомогою великої кількості роботів.

В одному з методів відображення здійснюється двома групами з двох роботів, які обмінюються інформацією для злиття карт. Іншим методом є заснована на ролях, в якій робот може взяти на себе будь-яку з двох ролей, що рухаються або орієнтир, який він може обміняти на рух рою. Крім того, роботи мають певну оцінку свого положення, тому повинні скласти оцінку розташування інших роботів, щоб скласти колективну карту.

Реальне застосування ройової робототехніки

Незважаючи на те, що великі дослідження робототехніки роїв розпочалися приблизно в 2012 році, дотепер вони не отримали комерційного реального застосування, але використовуються в медичних цілях, але не в таких масштабах і все ще перебувають на випробуваннях. Існують різні причини того, що ця технологія не виходить комерційно.

Розробка алгоритму для індивідуального та глобального: колективна поведінка рою виходить від особи, яка вимагає розробки одного робота та його поведінки, і в даний час не існує методу переходу від індивіда до групової поведінки.

Випробування та впровадження: великі вимоги до лабораторій та інфраструктури для подальшого розвитку.

Аналіз та моделювання: Різні основні завдання, що виконуються в ройовій робототехніці, свідчать про те, що вони нелінійні, тому побудова математичних моделей для їх роботи досить важка

Окрім цих викликів, існують і інші проблеми безпеки для людини та рою завдяки їхній простій конструкції

(i) Фізичне захоплення роботів.

(іі) особа особи в рої, яку повинен знати робот, якщо він взаємодіє з роботом свого рою чи іншим роєм.

(iii) Комунікаційні напади на людину та рій.

Головною метою робототехніки роїв є охоплення широкої області, де роботи могли б розійтися і виконувати відповідні завдання. Вони корисні для виявлення таких небезпечних подій, як витоки, наземні міни тощо, і основною перевагою розподіленої та рухомої мережі датчиків є те, що вона може відчувати широку площу і навіть діяти на неї.

Застосування ройової робототехніки є дійсно перспективним, але все ще існує потреба в її розробці як в алгоритмічній, так і в моделюючій частині.