Inleiding tot zwermrobotica

Interactie, begrip van en vervolgens reageren op de situatie zijn enkele van de grootste kenmerken van mensen en dat zijn de dingen die ons maken tot wat we zijn. We zijn geboren om in een sociale samenleving te leven en we hebben altijd van ons geweten dat we het meest welgemanierde sociale wezen zijn dat we kennen sinds de schepping van deze planeet.

De sociale cultuur en interactie met elkaar om te helpen voor een gemeenschappelijk doel wordt niet alleen gevonden bij mensen maar ook bij andere soorten van deze planeet, zoals een zwerm vogels of vissen of bijen, ze hebben allemaal één ding gemeen dat ze hebben. een collectief gedrag. Wanneer de vogels migreren, worden ze vaak gezien in een groep die wordt geleid door het leidende lid van hun groep en ze volgen ze allemaal en hun groep is ontworpen in een bepaalde geometrische vorm, ondanks dat de vogels geen gevoel hebben voor de vormen en figuren en ook is de groep zo gemaakt dat de oudere leden van de groep zich op de grenzen bevinden, terwijl de kleintjes of de pasgeborenen in het centrum zijn.

Dezelfde eigenschappen komen voor bij vuurmieren, deze mieren zijn een beetje anders dan andere soorten mieren en staan ​​vooral bekend om hun groepsgedrag, ze bouwen samen, ze eten samen en ze verdedigen hun kolonies tegen de prooien samen, eigenlijk weten ze dat ze kunnen meer bereiken als ze in een groep zitten. Er werd recentelijk onderzoek gedaan naar het groepsgedrag van deze mieren, waarbij werd vastgesteld dat ze in staat waren om sterke structuren te maken wanneer dat nodig was, zoals wanneer dat nodig was om een ​​kleine brug te creëren om over te steken.

Het collectieve gedrag van deze sociale dieren en insecten helpt hen om ondanks al hun beperkingen meer te bereiken. Onderzoekers hebben aangetoond dat individuen van deze groepen geen vertegenwoordiging of geavanceerde kennis nodig hebben om dergelijk complex gedrag te produceren. Bij sociale insecten, dieren en vogels worden individuen niet geïnformeerd over de globale status van de kolonie. De kennis van de zwerm is verdeeld over alle agenten, waar een individu zijn taak niet kan volbrengen zonder de rest van de zwerm. Wat als dit collectieve gevoel in een groep robots kan worden gebracht? Dit is wat zwermrobotica is en we zullen hier in dit artikel uitgebreid over leren .

Robots als onderdeel van een zwerm

Onze omgeving waarin we leven is erg inspirerend voor ons, velen van ons halen inspiratie voor hun werk uit de natuur en het milieu, beroemde uitvinders zoals de Leonardo da Vinci deden het heel goed en zijn terug te zien in zijn ontwerpen in de wereld van vandaag. doen ook hetzelfde proces voor ons voor het oplossen van ontwerp- en technische problemen, zoals de neus van kogeltreinen, zijn geïnspireerd op de snavel van de ijsvogel, zodat deze meer snelheid heeft en energiezuiniger is en relatief minder geluid produceert tijdens het passeren de tunnels en er is een term voor bedacht en het staat bekend als Biomimicry.

Dus om de complexe taken op te lossen waarbij menselijke tussenkomst moeilijk is en een hogere complexiteit heeft van wat meer moet zijn dan alleen een gemiddelde robot, zoals bepaalde gebruikssituaties waarbij een gebouw is ingestort als gevolg van een aardbeving en mensen depressief zijn onder het beton, zeker dit probleem vereist een soort robot die meerdere taken tegelijk kan uitvoeren en klein genoeg is om door het beton te komen en helpt om de informatie van het menselijk bestaan ​​in de eerste plaats te krijgen, dus wat komt in je op, een groep kleine robots die klein zijn genoeg en autonoom hun eigen manier creëren en de informatie krijgen en het bootst zeker de een of andere zwerm insecten of vliegen na en dus waar de zwermrobotica op de eerste plaats komt en hier is de meer formele. Zwerm roboticais een vakgebied van multi-robotica waarin een groot aantal robots op een gedistribueerde en gedecentraliseerde manier wordt gecoördineerd. het is gebaseerd op het gebruik van lokale regels, kleine eenvoudige robots geïnspireerd door het collectieve gedrag van sociale insecten, zodat een groot aantal eenvoudige robots een complexe taak op een efficiëntere manier kan overtreffen dan een enkele robot, waardoor de groep robuustheid en flexibiliteit krijgt.

Organisaties en groepen komen voort uit de interacties tussen de individuen en tussen individuen en de omringende omgeving, deze interacties zijn verspreid over de kolonie en dus kan de kolonie taken oplossen die moeilijk op te lossen zijn door een enkele persoon, wat betekent dat je naar een gemeenschappelijk doel moet werken.

Hoe Swarm Robotics is geïnspireerd op Social Insects

Multi-robotsystemen behouden enkele van de kenmerken van sociale insecten, zoals robuustheid, de robotzwerm kan zelfs werken als sommige individuen falen, of er zijn storingen in de omgeving; flexibiliteit, de zwerm is in staat om verschillende oplossingen voor verschillende taken te creëren en kan elke robotrol veranderen afhankelijk van de behoefte van het moment. Schaalbaarheid, de robotzwerm kan in verschillende groepsgroottes werken, van een paar individuen tot duizenden.

Kenmerken van Robot Swarm

Zoals gezegd verwerft eenvoudige robotzwerm een ​​kenmerk van sociale insecten die als volgt worden opgesomd

1. De zwerm robots moet autonoom zijn en in de echte omgeving kunnen voelen en handelen.

2. Het aantal robots in een zwerm moet groot genoeg zijn om elke afzonderlijke taak te ondersteunen die ze als groep moeten uitvoeren.

3. Er moet homogeniteit zijn in de zwerm, er kunnen verschillende groepen in de zwerm zijn, maar het mogen er niet te veel zijn.

4. Een enkele robot van de zwerm moet niet in staat en inefficiënt zijn met betrekking tot hun hoofddoel, dat wil zeggen dat ze moeten samenwerken om te slagen en de prestaties te verbeteren.

5. Alle robots zijn nodig om alleen lokale detectie- en communicatiemogelijkheden te hebben met de naburige partner van de zwerm, dit zorgt ervoor dat de coördinatie van de zwerm wordt verdeeld en schaalbaarheid een van de eigenschappen van het systeem wordt.

Multirobotica-systemen en zwermrobotica

Zwermrobotica maakt deel uit van het multi-robotsysteem en als groep hebben ze enkele kenmerken van hun meerdere assen die hun groepsgedrag bepalen

Collectieve grootte: Collectieve grootte is de SIZE-INF die N >> 1 is, wat tegengesteld is aan de SIZE-LIM, waarbij het aantal N van de robot kleiner is dan de respectievelijke omgevingsgrootte waarin ze zijn geplaatst.

Communicatiebereik: Communicatiebereik is COM-NEAR, zodat de robots alleen kunnen communiceren met de robots die dichtbij genoeg zijn.

Communicatietopologie: Communicatietopologie voor de robots in de zwerm zou over het algemeen TOP-GRAPH zijn, robots zijn gekoppeld in een algemene grafiektopologie.

Communicatiebandbreedte: communicatiebandbreedte is BAND-MOTION, communicatiekosten tussen de twee robots zijn hetzelfde als het verplaatsen van de robots tussen locaties.

Collectieve herconfigureerbaarheid: Collectieve herconfigureerbaarheid is over het algemeen ARR-COMM, dit is een gecoördineerde opstelling met de leden die communiceren, maar het kan ook ARR-DYN zijn, dat wil zeggen de dynamische opstelling, posities kunnen willekeurig veranderen.

Werkwijze vermogen: verwerkbaarheid is PROC-TME, waarbij het rekenmodel een stemmechaniek equivalent.

Collectieve samenstelling: Collectieve samenstelling is CMP-HOM, wat betekent dat robots homogeen zijn.

Voordelen van Multi-Robotics-systemen in vergelijking met een enkele robot

• Taakparallellisme: we weten allemaal dat de taken kunnen worden afgebroken, en we zijn ons allemaal bewust van de agile ontwikkelingsmethode, dus door parallellisme te gebruiken, kunnen groepen ervoor zorgen dat de taak efficiënter wordt uitgevoerd.
• Taak mogelijk maken: een groep is krachtiger dan een enkele en hetzelfde geldt voor de zwermrobotica, waar een groep robots een taak een bepaalde taak kan laten uitvoeren die onmogelijk is voor een enkele robot
• Distributie in detectie : omdat de zwerm een ​​collectieve detectie heeft, heeft deze een groter bereik dan het bereik van een enkele robot.
• Distributie in actie: een groep robots kan verschillende acties tegelijkertijd op verschillende plaatsen uitvoeren.
• Fouttolerantie: het falen van een enkele robot binnen een zwerm robots binnen een groep betekent niet dat de taak zal mislukken of niet kan worden volbracht.

Experimentele platforms in Swarm Robotics

Er zijn verschillende experimentele platforms die worden gebruikt voor zwermrobotica, waarbij de verschillende experimentele platforms en verschillende robotsimulatoren worden gebruikt om de omgeving van zwermrobotica te stimuleren zonder dat de daadwerkelijke hardware nodig is.

1. Robotplatforms

Verschillende robotplatforms worden gebruikt in verschillende zwerm-robotexperimenten in verschillende laboratoria

(i) Swarmbot

Gebruikte sensoren: het heeft verschillende sensoren om de bot te helpen, waaronder bereiksensoren en camera.

Beweging: het gebruikt wielen om van de ene naar de andere te gaan.

Ontwikkeld door: Het is ontwikkeld door Rice University, VS.

Beschrijving: SwarmBot is een zwermrobotplatform ontwikkeld voor onderzoek door Rice University. Het kan autonoom werken voor ongeveer 3 uur na één keer opladen, ook deze bots zijn zelf-actief om laadstations op muren te vinden en te koppelen aan laadstations.

(ii) Kobot

Gebruikte sensoren: Het betreft het gebruik van de afstandssensor, vision-sensoren en kompas.

Beweging: het gebruikt wielen voor hun beweging

Ontwikkeld door: Het is ontwikkeld in het KOVAN Research Lab van de Middle East Technical University, Turkije.

Beschrijving: Kobot is specifiek ontworpen voor het onderzoek naar zwermrobotica. Het is gemaakt van verschillende sensoren die het een perfect platform maken voor het uitvoeren van verschillende zwermrobotsituaties, zoals gecoördineerde bewegingen. Het kan 10 uur autonoom werken op een enkele lading. Het bevat ook een vervangbare batterij die handmatig moet worden opgeladen en wordt meestal gebruikt bij de implementatie van zelforganiserende scenario's.

(iii) S-bot

Gebruikte sensoren: het maakt gebruik van verschillende sensoren om de dingen te laten werken, zoals sensoren voor licht, IR, positie, kracht, snelheid, temperatuur, vochtigheid, versnelling en een microfoon.

Beweging: Het maakt gebruik van bomen die aan zijn basis zijn bevestigd voor zijn bewegingen.

Ontwikkeld door: Het is ontwikkeld door de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Zwitserland.

Beschrijving: S-bot is een van de verschillende competente en substantiële robotplatforms die ooit zijn gebouwd. het heeft een uniek grijperontwerp dat objecten en andere s-bots kan vastgrijpen. Ze kunnen ook ongeveer 1 uur trainen op een enkele lading.

(iv) Jasmine Robot

Gebruikte sensoren: Het maakt gebruik van afstands- en lichtsensoren.

Ontwikkeld door: Het is ontwikkeld door de Universiteit van Stuttgart, Duitsland.

Beweging: het maakt zijn beweging op de wielen.

Beschrijving: Jasmine mobiele robots is een zwermrobotplatform dat wordt gebruikt in veel zwermrobotonderzoek.

(v) E-Puck

Gebruikte sensoren: het maakt gebruik van een verscheidenheid aan sensoren, zoals afstand, camera, peiling, versnelling en een microfoon.

Ontwikkeld door: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Zwitserland

Beweging: het is gebaseerd op de beweging van het wiel.

Beschrijving: E-puck is voornamelijk ontworpen voor educatieve doeleinden en is een van de meest succesvolle robots. Vanwege zijn eenvoud wordt het echter ook vaak gebruikt in onderzoek naar zwermrobotica. Het heeft door de gebruiker vervangbare batterijen met een werktijd van 2-4 uur.

(vi) Kilobot

Gebruikte sensoren: Het maakt gebruik van een combinatie van afstands- en lichtsensoren.

Ontwikkeld door: Harvard University, VS.

Beweging: het gebruikt trillingen van het systeem voor de beweging van het lichaam van het systeem.

Beschrijving: Kilobot is een redelijk recent robotplatform voor zwermen met een unieke functie voor het opladen van groepen en het programmeren van groepen. Door zijn eenvoud en laag stroomverbruik heeft hij een uptime tot wel 24 uur. In een speciaal laadstation worden robots handmatig in groepen opgeladen.

2. Simulatoren

Robotsimulatoren lossen het probleem op van de hardware die nodig is om de geloofwaardigheid van de bots te testen in de kunstmatig gesimuleerde parameters van de echte omgeving.

Er bestaan ​​veel robotsimulatoren die kunnen worden gebruikt voor multi-robotexperimenten, en meer specifiek voor de zwermrobotexperimenten, en ze verschillen allemaal in hun technische aspecten, maar ook in de licentie en de kosten. Enkele van de simulatoren voor de zwermbots en multi-robotplatforms zijn als volgt:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D is een simulator voor de multi-robotica maar speciaal ontworpen voor de S-Bot-robot van het SwarmBot-project.
• Microsoft Robotics Studio: De robotstudio is een simulator die is ontwikkeld door Microsoft. Het maakt multi-robotsimulatie mogelijk en vereist dat het Windows-platform wordt uitgevoerd.
• Webots: Webots is een realistische mobiele simulator die simulaties van meerdere robots mogelijk maakt, met reeds gebouwde modellen van de echte robots. Het kan echte botsingen simuleren door de fysica van de echte wereld toe te passen. De prestaties nemen echter af wanneer er met meer dan robots wordt gewerkt, waardoor simulaties met een groot aantal robots moeilijk worden.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo is een open source simulator met multi-robot mogelijkheden en een brede set beschikbare robots en sensoren klaar voor gebruik. Het kan de simulaties van de zwerm-robotexperimenten in een 2D-omgeving goed aan met zeer goede resultaten. De populatiegrootte in de omgeving kan in realtime worden opgeschaald tot 1000 eenvoudige robots.

Algoritmen en technieken die worden gebruikt voor verschillende taken in Swarm Robotics

Hier gaan we de verschillende technieken onderzoeken die worden gebruikt in zwermrobotica voor verschillende eenvoudige taken zoals aggregatie, verspreiding enz. Deze taken zijn de basisstappen voor al het high-end werken in zwermrobotica.

Aggregation: Aggregation is het samenbrengen van alle bots en het is echt een belangrijke en eerste stap in andere complexe stappen, zoals patroonvorming, zelfassemblage, informatie-uitwisseling en collectieve bewegingen. Een robot gebruikt zijn sensoren zoals naderingssensoren en microfoon die mechanismen voor het uitwisselen van geluid gebruiken met behulp van de actuator, zoals luidsprekers. De sensoren helpen een enkele bot om de dichtstbijzijnde robot te vinden die ook het centrum van de groep blijkt te zijn, waarbij de bot zich alleen moet concentreren op de andere bot die in het midden van de groep staat en ernaar reikt en hetzelfde proces wordt gevolgd door alle leden van de zwerm die ze allemaal laten samenvoegen.

Verspreiding: wanneer de robots op een enkele plaats worden verzameld, is de volgende stap om ze te verspreiden in de omgeving waar ze werken als een enkel samenstellend lid van de zwerm en dit helpt ook bij het verkennen van de omgeving waarin elke bot van de zwerm werkt. als een enkele sensor wanneer het wordt overgelaten om te verkennen. Er zijn verschillende algoritmen voorgesteld en gebruikt voor de verspreiding van de robots, een van de benaderingen omvat het potentiële veldalgoritme voor de verspreiding van de robots waarin de robots worden afgestoten door de obstakels en andere robots die de zwermomgeving lineair laten verspreiden.

Een van de andere benaderingen omvat dispersie op basis van het lezen van de draadloze intensiteitssignalen, draadloze intensiteitssignalen stellen de robots in staat zich te verspreiden zonder medeweten van hun naaste buren, ze vangen gewoon de draadloze intensiteiten op en rangschikken ze om ze in de omgeving te verspreiden.

Vorming van patronen: Vorming van patronen in zwermrobotica is een belangrijk kenmerk van hun collectieve gedrag, deze patronen kunnen erg behulpzaam zijn wanneer een probleem moet worden opgelost waarbij de hele groep samenwerkt. Bij patroonvorming creëren bots een globale vorm door het gedeelte van de individuele robots te veranderen waar elke bot alleen lokale informatie heeft.

Een zwerm robots vormt een structuur met een interne en externe gedefinieerde vorm. De regels die ervoor zorgen dat het deeltje / robots zich in de gewenste formatie verzamelen, zijn lokaal, maar er ontstaat een globale vorm, zonder enige globale informatie met betrekking tot een individueel lid van de zwerm. Het algoritme gebruikt virtuele veren tussen de aangrenzende deeltjes, rekening houdend met het aantal buren dat ze hebben.

Collectieve beweging: wat is de betekenis van een team als ze het probleem niet allemaal samen kunnen oplossen en dat is het beste deel van een zwerm? Collectieve beweging is een manier om een ​​groep robots te laten coördineren en ze als een groep op een samenhangende manier te laten bewegen. Het is een basismanier om een ​​aantal collectieve taken uit te voeren en kan worden ingedeeld in twee soorten formaties en massaal.

Er zijn veel methoden voor collectieve beweging, maar alleen methoden die schaalbaarheid met een toenemend aantal robots mogelijk maken, zijn van belang, waarbij elke robot de relatieve positie van zijn buur herkent en reageert met respectieve krachten die aantrekkelijk of afstotelijk zouden kunnen zijn om structuren voor collectieve bewegingen te vormen.

Taken toewijzen : Taakverdeling is een problematisch gebied in zwermrobotica op basis van arbeidsverdeling. Er zijn echter verschillende methoden die worden gebruikt voor de arbeidsverdeling, een daarvan is dat elke robot een observatie bijhoudt van de taken van een andere robot en de geschiedenis voor hetzelfde onderhoudt en later zijn eigen gedrag kan veranderen om zichzelf in de taak te passen, deze methode is gebaseerd op roddelcommunicatie en heeft zeker zijn voordelen van betere prestaties, maar tegelijkertijd heeft het een nadeel dat het vanwege beperkte robuustheid en pakketverlies tijdens communicatie minder schaalbaar blijkt te zijn. Bij de andere methode worden taken aangekondigd door sommige robots en een bepaald aantal andere robots zijn er tegelijkertijd bij, het is een eenvoudige en reactieve methode.

Zoeken naar een bron: Swarm-robotica is zeer succesvol in de taak van het zoeken naar bronnen, vooral wanneer de bron voor het zoeken complex is, zoals in het geval van geluid of geur. Het zoeken door de zwermrobotica gebeurt op twee manieren: de ene is mondiaal, de andere is lokaal en het verschil tussen de twee is de communicatie. Een met de wereldwijde communicatie tussen de robots waarin de robots de globale maximale bron kunnen vinden. De andere is beperkt tot alleen lokale communicatie tussen de robots om de lokale maxima te vinden.

Transporteren van objecten: De mieren hebben collectief transport van objecten waarbij een individuele mier wacht op de andere partner voor de samenwerking als het te transporteren object te zwaar is. Onder dezelfde lichte robots zorgt de zwerm ervoor dat de dingen op dezelfde manier verlopen, waarbij elke robot het voordeel heeft dat hij medewerking krijgt van de andere robots voor het transporteren van de objecten. S-bots bieden een geweldig platform voor het oplossen van het transportprobleem, waarbij ze zichzelf samenstellen om samen te werken en hun algoritme opschaalt als het te transporteren object zwaar is.

De andere methode is het collectief transporteren van objecten waarbij de objecten worden verzameld en opgeslagen voor later transport. Hier hebben de robots twee verschillende taken: het verzamelen van de objecten en ze in een kar plaatsen, en gezamenlijk de kar met die objecten verplaatsen.

Collectieve mapping: Collectieve mapping wordt gebruikt voor het verkennen en in kaart brengen van de grote binnengebieden met behulp van een groot aantal robots.

Bij één methode wordt de mapping uitgevoerd door de twee groepen van twee robots, die informatie uitwisselen om de kaarten samen te voegen. De andere methode is gebaseerd op een rol waarin de robot een van de twee rollen kan aannemen die bewegen of mijlpaal zijn en die ze kunnen inwisselen voor de beweging van de zwerm. Ook hebben de robots een bepaalde schatting van hun positie, dus moeten ze een schatting maken van de locatie van de andere robots om een ​​collectieve kaart te bouwen.

De echte wereldtoepassing van Swarm Robotics

Hoewel het uitgebreide onderzoek naar zwermrobotica rond 2012 is begonnen, is het tot nu toe niet uitgekomen met de commerciële toepassing in de echte wereld, het wordt gebruikt voor medische doeleinden, maar niet op die grote schaal en wordt nog steeds getest. Er zijn verschillende redenen waarom deze technologie niet commercieel uitkomt.

Ontwerpen van algoritme voor het individu en het globale: het collectieve gedrag van de zwerm komt voort uit het individu dat een enkele robot en zijn gedrag moet ontwerpen, en momenteel bestaat er geen methode om van het individuele naar groepsgedrag te gaan.

Testen en implementeren: Uitgebreide eisen aan de laboratoria en infrastructuur voor verdere ontwikkeling.

Analyse en modellering: de verschillende basistaken die in zwermrobotica worden uitgevoerd, suggereren dat deze niet-lineair zijn en dat het daarom vrij moeilijk is om de wiskundige modellen voor hun werk uit te bouwen.

Naast deze uitdagingen zijn er nog meer veiligheidsuitdagingen voor het individu en de zwerm vanwege hun eenvoudige ontwerp

(i) Fysieke opname van de robots.

(ii) Identiteit van het individu in de zwerm, dat de robot moet weten of hij interactie heeft met een robot van zijn zwerm of een andere zwerm.

(iii) Communicatieaanvallen op het individu en de zwerm.

Het belangrijkste doel van de zwermrobotica is om een ​​groot gebied te bestrijken waar de robots zich kunnen verspreiden en hun respectieve taken kunnen uitvoeren. Ze zijn handig voor het detecteren van gevaarlijke gebeurtenissen zoals lekkages, landmijnen enz. En het belangrijkste voordeel van een gedistribueerd en verplaatsbaar netwerk van sensoren is dat het het wijde gebied kan detecteren en er zelfs op kan reageren.

De toepassingen van de zwermrobotica zijn veelbelovend, maar er is nog steeds behoefte aan de ontwikkeling ervan, zowel op het gebied van algoritmen als modellering.