stringtranslate.com

Роевая робототехника

Рой микророботов Jasmine с открытым исходным кодом, которые перезаряжаются
Команда iRobot Create создает роботов в Технологическом институте Джорджии

Роевая робототехника — это подход к координации нескольких роботов как системы, состоящей из большого количества в основном простых физических роботов . В рое роботов коллективное поведение роботов является результатом локальных взаимодействий между роботами и между роботами и средой, в которой они действуют. [1] Предполагается, что желаемое коллективное поведение возникает из взаимодействий между роботами и взаимодействий роботов с окружающей средой. Эта идея возникла в области искусственного роевого интеллекта , а также в исследованиях насекомых, муравьев и других областей природы, где наблюдается роевое поведение . [2]

Определение

Исследование роевой робототехники направлено на изучение физического тела и управляющего поведения роботов. Оно вдохновлено, но не ограничено [3] эмерджентным поведением, наблюдаемым у социальных насекомых , называемым роевым интеллектом . Относительно простые индивидуальные правила могут производить большой набор сложных роевых поведений . Ключевым компонентом является общение между членами группы, которое создает систему постоянной обратной связи. Поведение роя подразумевает постоянное изменение особей в сотрудничестве с другими, а также поведение всей группы.

В отличие от распределенных робототехнических систем в целом, роевая робототехника делает акцент на большом количестве роботов и способствует масштабируемости , например, используя только локальную связь. [4] Такая локальная связь, например, может быть достигнута с помощью беспроводных систем передачи данных, таких как радиочастотные или инфракрасные . [5]

Пять принципов роевого интеллекта роботов

Проектирование систем роевой робототехники осуществляется на основе принципов роевого интеллекта, которые способствуют отказоустойчивости, масштабируемости и гибкости.[1] Хотя существуют различные формулировки принципов роевого интеллекта, один широко признанный набор включает в себя:

  1. Осведомленность: Каждый член роя должен осознавать свое окружение и свои возможности.
  2. Автономность: отдельные роботы должны функционировать как автономные единицы, а не как подчиненные центрального контроллера. Это позволяет самокоординировать распределение задач.
  3. Солидарность: Члены роя должны сотрудничать в солидарности. После завершения задачи каждый робот должен самостоятельно искать новые задачи, основываясь на своем текущем положении.
  4. Расширяемость: система должна допускать динамическое расширение, позволяя легко добавлять новых участников.
  5. Устойчивость: Рой должен быть самовосстанавливающимся. Если члены удаляются, оставшиеся роботы должны взять на себя незаконченные задачи. [6]

Приложения

Миниатюризация и стоимость являются ключевыми факторами в роевой робототехнике. Это ограничения при создании больших групп роботов; поэтому подчеркивается простота отдельного члена команды. Это мотивирует роевой интеллектуальный подход к достижению осмысленного поведения на уровне роя, а не на индивидуальном уровне. Цели включают поддержание низкой стоимости отдельных роботов для обеспечения масштабируемости , делая каждого робота менее требовательным к ресурсам и более энергоэффективным.

По сравнению с отдельными роботами рой обычно может разложить поставленные перед ним задачи на подзадачи; [7] рой более устойчив к частичным отказам и более гибок в отношении различных задач. [8]

Одной из таких систем роя является LIBOT Robotic System [9] , которая включает в себя недорогого робота, созданного для уличной роевой робототехники. Роботы также сделаны с возможностью использования внутри помещений через Wi-Fi, поскольку датчики GPS обеспечивают плохую связь внутри зданий. Еще одна такая попытка - микроробот (Colias), [10] созданный в Лаборатории компьютерного интеллекта в Университете Линкольна , Великобритания. Этот микроробот построен на 4-сантиметровом круглом шасси и является недорогой и открытой платформой для использования в различных приложениях роевой робототехники.

Приложения

Потенциальных применений для роевой робототехники много. Они включают задачи, требующие миниатюризации ( наноробототехника , микробототехника ), такие как распределенные задачи зондирования в микромашинах или человеческом теле. Одно из самых многообещающих применений роевой робототехники — поисково-спасательные операции. [11] Рои роботов разных размеров можно отправлять в места, куда спасатели не могут добраться безопасно, для исследования неизвестной среды и решения сложных лабиринтов с помощью бортовых датчиков. [11] С другой стороны, роевая робототехника может подходить для задач, требующих дешевых конструкций, например, для горнодобывающей промышленности или сельскохозяйственных пастушьих задач. [12]

Более спорно, что рои военных роботов могут сформировать автономную армию. Военно-морские силы США испытали рой автономных лодок, которые могут управлять и предпринимать наступательные действия самостоятельно. Лодки беспилотные и могут быть оснащены любым видом комплекта для сдерживания и уничтожения вражеских судов. [13]

Во время гражданской войны в Сирии российские войска в регионе сообщили об атаках на их главную военно-воздушную базу в стране со стороны роев беспилотников с фиксированным крылом, начиненных взрывчаткой. [14]

Большинство усилий было сосредоточено на относительно небольших группах машин. Однако рой, состоящий из 1024 отдельных роботов, был продемонстрирован Гарвардом в 2014 году, и это был самый большой на сегодняшний день рой. [15]

Другой большой набор приложений может быть решен с использованием роев микролетающих аппаратов , которые также широко исследуются в настоящее время. По сравнению с пионерскими исследованиями роев летающих роботов, использующих точные системы захвата движения в лабораторных условиях, [16] современные системы, такие как Shooting Star, могут управлять группами из сотен микролетающих аппаратов в наружной среде [17] с использованием систем GNSS (например, GPS) или даже стабилизировать их с использованием бортовых систем локализации [18] , где GPS недоступен. [19] [20] Рои микролетающих аппаратов уже были испытаны в задачах автономного наблюдения, [21] отслеживания шлейфа [22] и разведки в компактной фаланге. [23] Многочисленные работы по кооперативным роям беспилотных наземных и воздушных аппаратов были проведены с целевыми приложениями кооперативного мониторинга окружающей среды, [24] одновременной локализации и картирования , [25] защиты конвоя [26] и локализации и отслеживания движущихся целей. [27]

Кроме того, был достигнут прогресс в применении автономных роев в области производства, известных как роевая 3D-печать . Это особенно полезно для производства крупных конструкций и компонентов, где традиционная 3D-печать не может быть использована из-за ограничений по размеру оборудования. Миниатюризация и массовая мобилизация позволяют производственной системе достичь масштабной инвариантности , не ограничиваясь эффективным объемом сборки. Хотя роевая 3D-печать находится на ранней стадии развития, в настоящее время она коммерциализируется стартапами. Используя процесс аддитивного производства металла Rapid Induction Printing, Rosotics [28] была первой компанией, продемонстрировавшей роевую 3D-печать с использованием металлической полезной нагрузки, и единственной, кто добился металлической 3D-печати с бортовой платформы. [29]

Рой дронов

Рой дронов используется для поиска целей, демонстрации дронов и доставки. Демонстрация дронов обычно использует несколько освещенных дронов ночью для художественной демонстрации или рекламы. Рой дронов при доставке может доставлять несколько посылок в один пункт назначения одновременно и преодолевать ограничения полезной нагрузки и батареи одного дрона. [30] Рой дронов может принимать различные формы полета , чтобы снизить общее потребление энергии из-за сил сопротивления. [31]

Рой дронов также может сопровождаться дополнительными проблемами управления, связанными с человеческим фактором и оператором роя. Примерами этого являются высокие когнитивные требования и сложность при взаимодействии с несколькими дронами из-за изменения внимания между различными отдельными дронами. [32] [33] Коммуникация между оператором и роем также является центральным аспектом. [34]

Акустические рои

В 2023 году исследователи из Вашингтонского университета и Microsoft продемонстрировали акустические рои крошечных роботов, которые создают изменяющие форму интеллектуальные колонки. [35] Их можно использовать для управления акустическими сценами, чтобы сосредоточиться на звуках из определенной области в комнате или отключить их. [36] Здесь крошечные роботы взаимодействуют друг с другом, используя звуковые сигналы, без каких-либо камер, для совместной навигации с точностью до сантиметра. Эти роевые устройства распределяются по поверхности, создавая распределенную и реконфигурируемую беспроводную микрофонную решетку. Они также возвращаются к зарядной станции, где их можно автоматически подзаряжать. [37]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Дориго, Марко; Бираттари, Мауро; Брамбилл, Мануэле (2014). «Рой робототехники». Схоларпедия . 9 (1): 1463. Бибкод : 2014SchpJ...9.1463D. doi : 10.4249/scholarpedia.1463 .
  2. ^ «Какова основная цель Swarm Robotics?». 2024-05-29 . Получено 2024-09-01 .«Робототехника роя» — увлекательная область, черпающая вдохновение в коллективном поведении социальных насекомых, таких как муравьи, пчелы и термиты.
  3. ^ Хант, Эдмунд Р. (2019-03-27). «Социальные животные, которые вдохновляют новые модели поведения для роев роботов». The Conversation . Получено 2019-03-28 .
  4. ^ Хаманн, Х. (2018). Swarm Robotics: A Formal Approach. Нью-Йорк: Springer International Publishing. ISBN 978-3-319-74528-2.
  5. ^ Н. Коррелл, Д. Рус. Архитектуры и управление сетевыми робототехническими системами. В: Serge Kernbach (Ed.): Handbook of Collective Robotics, стр. 81-104, Pan Stanford, Сингапур, 2013.
  6. ^ Альфонсо (2016-09-20). Пять принципов роевого интеллекта . Получено 2024-08-14 – через YouTube.
  7. ^ Ху, Дж.; Бхоумик, П.; Ланзон, А. (2020). «Двухслойная распределенная стратегия управления формированием-сдерживанием для линейных роевых систем: алгоритм и эксперименты». Международный журнал по надежному и нелинейному управлению . 30 (16): 6433–6453. doi : 10.1002/rnc.5105 .
  8. ^ Каган, Э.; Швалб, Н.; Гал, И. (2019). Автономные мобильные роботы и многороботные системы: планирование движения, связь и роение. John Wiley and Sons. ISBN 9781119212867.
  9. ^ Захуги, Эмаад Мохамед Х.; Шабани, Ахмед М.; Прасад, ТВ (2012), «Libot: Разработка недорогого мобильного робота для уличной роевой робототехники», Международная конференция IEEE 2012 года по кибертехнологиям в автоматизации, управлении и интеллектуальных системах (CYBER) , стр. 342–347, doi :10.1109/CYBER.2012.6392577, ISBN 978-1-4673-1421-3, S2CID  14692473
  10. ^ Арвин, Ф.; Мюррей, Дж. К.; Личенг Ши; Чун Чжан; Шиганг Юэ, «Разработка автономного микроробота для роевой робототехники», Международная конференция IEEE по мехатронике и автоматизации (ICMA) 2014 г., т., №, стр. 635, 640, 3–6 августа 2014 г. doi: 10.1109/ICMA.2014.6885771
  11. ^ ab Hu, J.; Niu, H.; Carrasco, J.; Lennox, B.; Arvin, F., «Автономное исследование неизвестных сред с использованием нескольких роботов на основе алгоритма Вороного с помощью глубокого обучения с подкреплением», IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020.
  12. ^ Ху, Дж.; Тургут, А.; Крайник, Т.; Леннокс, Б.; Арвин, Ф., «Проектирование протокола координации на основе окклюзии для задач автономного роботизированного пастуха», Труды IEEE по когнитивным и развивающим системам, 2020.
  13. ↑ Лендон, Брэд (6 октября 2014 г.). «ВМС США могут «закидать» противников роботизированными лодками». CNN.
  14. ^ Мадригал, Алексис С. (2018-03-07). «Рой дронов будет ужасающим и его будет трудно остановить». The Atlantic . Получено 2019-03-07 .
  15. ^ "Самоорганизующийся рой из тысячи роботов". Гарвард . 14 августа 2014 г. Получено 16 августа 2014 г.
  16. ^ Кушлеев, А.; Меллингер, Д.; Пауэрс, К.; Кумар, В., «На пути к рою гибких микроквадрокоптеров» Автономные роботы, том 35, выпуск 4, стр. 287-300, ноябрь 2013 г.
  17. ^ Vasarhelyi, G.; Virágh, C.; Tarcai, N.; Somorjai, G.; Vicsek, T. Наружное стадное и групповое полёты с автономными летательными роботами. Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS 2014), 2014
  18. ^ Faigl, J.; Krajnik, T.; Chudoba, J.; Preucil, L.; Saska, M. Недорогая встроенная система для относительной локализации в роботизированных роях. В ICRA2013: Труды Международной конференции IEEE 2013 года по робототехнике и автоматизации. 2013.
  19. ^ Саска, М.; Вакула, Дж.; Прейсил, Л. Стаи микролетающих аппаратов, стабилизированные с помощью визуальной относительной локализации. В ICRA2014: Труды Международной конференции IEEE 2014 года по робототехнике и автоматизации. 2014.
  20. ^ Саска, М. Рой MAV: беспилотные летательные аппараты, стабилизированные по заданному пути с использованием бортовой относительной локализации. В трудах Международной конференции по беспилотным авиационным системам (ICUAS) 2015 года. 2015
  21. ^ Саска, М.; Чудоба, Дж.; Прейсил, Л.; Томас, Дж.; Лоянно, Г.; Треснак, А.; Вонасек, В.; Кумар, В. Автономное развертывание роев микролетающих аппаратов при кооперативном наблюдении. В трудах Международной конференции по беспилотным авиационным системам (ICUAS) 2014 года. 2014.
  22. ^ Саска, М.; Лангр Дж.; Л. Прейсил. Отслеживание шлейфа самостабилизирующейся группой микролетающих аппаратов. В Моделировании и имитации автономных систем, 2014.
  23. ^ Саска, М.; Касл, З.; Прейсил, Л. Планирование движения и управление формациями микролетающих аппаратов. В трудах 19-го Всемирного конгресса Международной федерации автоматического управления. 2014.
  24. ^ Саска, М.; Вонасек, В.; Крайник, Т.; Прейсил, Л. Координация и навигация гетерогенных команд БПЛА-БНА, локализованных с помощью подхода Hawk-Eye. Архивировано 10 августа 2017 г. в Wayback Machine . В трудах Международной конференции IEEE/RSJ 2012 г. по интеллектуальным роботам и системам. 2012.
  25. ^ Чунг, Сун-Джо и др. «Обзор воздушной роевой робототехники». IEEE Transactions on Robotics 34.4 (2018): 837-855.
  26. ^ Саска, М.; Вонасек, В.; Крайник, Т.; Прейсил, Л. Координация и навигация неоднородных образований MAV–UGV, локализованных с помощью подхода типа «ястребиный глаз» в рамках схемы предиктивного управления моделью. Международный журнал исследований робототехники 33(10):1393–1412, сентябрь 2014 г.
  27. ^ Квон, Хёксон; Пак, Дэниел Дж. (2012). «Надежный метод локализации мобильных целей для кооперативных беспилотных летательных аппаратов с использованием качества слияния датчиков». Журнал интеллектуальных и робототехнических систем . 65 (1–4): 479–493. doi :10.1007/s10846-011-9581-5. S2CID  254656907.
  28. ^ «Rosotics — решение крупнейших проблем отрасли».
  29. ^ "Технология". 25 июля 2020 г. Архивировано из оригинала 4 августа 2020 г. Получено 16 августа 2020 г.
  30. ^ Alkouz, Balsam; Bouguettaya, Athman; Mistry, Sajib (18–24 октября 2020 г.). «Swarm-based Drone-as-a-Service (SDaaS) for Delivery» (роевые дроны как услуга (SDaaS)) 2020 г. Международная конференция IEEE по веб-сервисам (ICWS) . стр. 441–448. arXiv : 2005.06952 . doi :10.1109/ICWS49710.2020.00065. ISBN 978-1-7281-8786-0. S2CID  218628807.
  31. ^ Alkouz, Balsam; Bouguettaya, Athman (7–9 декабря 2020 г.). «Отбор служб роя дронов на основе формации». MobiQuitous 2020 — 17-я Международная конференция EAI по мобильным и повсеместным системам: вычисления, сети и услуги . стр. 386–394. arXiv : 2011.06766 . doi :10.1145/3448891.3448899. ISBN 9781450388405. S2CID  226955877.
  32. ^ Хокраффер, Эми; Нам, Чанг С. (2017). «Метаанализ интерфейсов человек-система в управлении роем беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)». Прикладная эргономика . 58 : 66–80. doi :10.1016/j.apergo.2016.05.011. PMID  27633199.
  33. ^ Льюис, Майкл (2013). «Взаимодействие человека с несколькими удаленными роботами». Обзоры человеческого фактора и эргономики . 9 (1): 131–174. doi :10.1177/1557234X13506688.
  34. ^ Коллинг, Андреас; Филлип, Уокер; Ниланджан, Чакраборти; Катя, Сикара; Майкл, Льюис (2016). «Взаимодействие человека с роями роботов: обзор» (PDF) . Труды IEEE по системам «человек-машина» . 46 (1): 9–26. doi :10.1109/THMS.2015.2480801. S2CID  9975315.
  35. ^ Итани, Малек; Чен, Туочао; Ёсиока, Такуя; Голлакота, Шьямнат (21.09.2023). «Создание речевых зон с помощью самораспределяющихся акустических роев». Nature Communications . 14 (1): 5684. Bibcode : 2023NatCo..14.5684I. doi : 10.1038/s41467-023-40869-8 . ISSN  2041-1723. PMC 10514314. PMID 37735445  . 
  36. ^ "Изменяющая форму умная колонка от команды UW позволяет пользователям отключать звук в разных зонах комнаты". UW News . Получено 21.09.2023 .
  37. ^ «Создание речевых зон с использованием самораспределяющихся акустических роев». acousticswarm.cs.washington.edu . Получено 21.09.2023 .

Внешние ссылки