Роевая робототехника
В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Часть серии о |
Мультиагентные системы |
---|
Мультиагентное моделирование |
Агент-ориентированное программирование |
Связанный |
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, а также между роботами и средой, в которой они действуют. [ 1 ] Предполагается, что желаемое коллективное поведение возникает в результате взаимодействия между роботами и взаимодействия роботов с окружающей средой. Эта идея возникла в области искусственного роевого интеллекта , а также исследований насекомых, муравьев и других областей природы, где имеет место роевое поведение . [ нужна ссылка ]
Определение
[ редактировать ]Исследования роевой робототехники направлены на изучение физического тела и управляющего поведения роботов. Он вдохновлен, но не ограничен [ 2 ] Эмерджентное поведение, наблюдаемое у социальных насекомых , называется роевым интеллектом . Относительно простые отдельные правила могут привести к большому набору сложных действий роя . Ключевым компонентом является общение между членами группы, выстраивающее систему постоянной обратной связи. Роевое поведение предполагает постоянное изменение особей во взаимодействии с другими, а также поведение всей группы.
В отличие от распределенных роботизированных систем в целом, роевая робототехника предполагает использование большого количества роботов и обеспечивает масштабируемость , например, за счет использования только локальной связи. [ 3 ] Такая локальная связь, например, может быть достигнута с помощью беспроводной систем передачи, таких как радиочастотная или инфракрасная связь . [ 4 ]
Цели и приложения
[ редактировать ]Миниатюризация и стоимость являются ключевыми факторами в роевой робототехнике. Это ограничения при создании больших групп роботов; поэтому подчеркивается простота отдельного члена команды. Это мотивирует использовать коллективный интеллектуальный подход для достижения значимого поведения на уровне стаи, а не на индивидуальном уровне.
Многие исследования были направлены на достижение этой цели — простоты на уровне отдельного робота. [ нужна ссылка ] Возможность использовать реальное оборудование при исследовании Swarm Robotics, а не моделирование, позволяет исследователям столкнуться и решить гораздо больше проблем, а также расширить сферу исследований Swarm. Таким образом, разработка простых роботов для исследований интеллекта Swarm является очень важным аспектом этой области. Целью является сохранение низкой стоимости отдельных роботов, чтобы обеспечить масштабируемость , сделать каждого робота менее требовательным к ресурсам и более энергоэффективным.
По сравнению с отдельными роботами, рой обычно может разложить свои миссии на подзадачи; [ 5 ] рой более устойчив к частичному отказу и более гибок в отношении различных задач. [ 6 ]
Одной из таких роевых систем является роботизированная система LIBOT. [ 7 ] Речь идет о недорогом роботе, созданном для роевой робототехники на открытом воздухе. Роботы также предназначены для использования внутри помещений через Wi-Fi, поскольку датчики GPS обеспечивают плохую связь внутри зданий. Еще одна такая попытка — микроробот (Колиас), [ 8 ] построен в Лаборатории компьютерного интеллекта Университета Линкольна , Великобритания. Этот микроробот построен на круглом шасси диаметром 4 см и представляет собой недорогую открытую платформу для использования в различных приложениях Swarm Robotics.
Пять принципов роевого интеллекта роботов
[ редактировать ]Проектирование систем роевой робототехники основано на принципах роевого интеллекта, которые способствуют отказоустойчивости, масштабируемости и гибкости. [1] Хотя существуют различные формулировки принципов роевого интеллекта, одна широко признанная совокупность включает в себя:
- Осведомленность: каждый член роя должен знать о своем окружении и возможностях.
- Автономия. Отдельные роботы должны функционировать как автономные единицы, а не как подчиненные центральному контроллеру. Это позволяет самостоятельно распределять задачи.
- Солидарность: Члены роя должны сотрудничать в духе солидарности. После выполнения задачи каждый робот должен самостоятельно искать новые задачи исходя из своего текущего положения.
- Расширяемость: Система должна обеспечивать динамическое расширение, позволяя беспрепятственно добавлять новых участников.
- Устойчивость: рой должен быть самовосстанавливающимся. Если участники удаляются, оставшиеся роботы должны взять на себя незавершенные задачи. [ 9 ]
Приложения
[ редактировать ]Потенциальных применений роевой робототехники много. К ним относятся задачи, требующие миниатюризации ( нанороботы , микробототехника ), такие как задачи распределенного зондирования в микромашинах или человеческом теле. Одно из наиболее многообещающих применений роевой робототехники — поисково-спасательные операции. [ 10 ] Стаи роботов разных размеров могут быть отправлены в места, куда спасатели не могут безопасно добраться, чтобы исследовать неизвестную среду и решать сложные лабиринты с помощью бортовых датчиков. [ 10 ] С другой стороны, роевая робототехника может подойти для задач, требующих дешевых конструкций, например, для горнодобывающей промышленности или сельскохозяйственных пастушеских задач. [ 11 ]
Еще более спорно то, что стаи военных роботов могут сформировать автономную армию. Военно-морские силы США протестировали ряд автономных лодок, которые могут самостоятельно управлять и предпринимать наступательные действия. Лодки являются беспилотными и могут быть оснащены любым оборудованием для сдерживания и уничтожения кораблей противника. [ 12 ]
Во время гражданской войны в Сирии российские войска в регионе сообщали об атаках на их главную базу ВВС в стране стаями дронов с неподвижным крылом, начиненных взрывчаткой. [ 13 ]
Большинство усилий было сосредоточено на относительно небольших группах машин. Однако в 2014 году Гарвард продемонстрировал самый крупный на сегодняшний день рой, состоящий из 1024 отдельных роботов. [ 14 ]
Другой большой набор задач может быть решен с использованием групп микровоздушных транспортных средств , которые в настоящее время также широко исследуются. По сравнению с новаторскими исследованиями роев летающих роботов с использованием точных систем захвата движения в лабораторных условиях, [ 15 ] современные системы, такие как Shooting Star, могут управлять группами из сотен микролетательных аппаратов на открытом воздухе. [ 16 ] используя системы GNSS (такие как GPS) или даже стабилизируя их с помощью бортовых локализации систем [ 17 ] где GPS недоступен. [ 18 ] [ 19 ] Стаи микролетательных аппаратов уже опробованы в задачах автономного наблюдения. [ 20 ] отслеживание шлейфа, [ 21 ] и разведка компактной фалангой. [ 22 ] Были проведены многочисленные работы по совместной работе групп беспилотных наземных и летательных аппаратов с целевым применением совместного мониторинга окружающей среды. [ 23 ] одновременная локализация и картографирование , [ 24 ] охрана конвоев, [ 25 ] и локализация и отслеживание движущихся целей. [ 26 ]
Кроме того, достигнут прогресс в применении автономных роев в сфере 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. Несмотря на то, что роевая 3D-печать находится на ранней стадии разработки, в настоящее время ее коммерциализируют стартапы. Используя процесс аддитивного производства металлов быстрой индукционной печати, Rosotics [ 27 ] была первой компанией, продемонстрировавшей роевую 3D-печать с использованием металлической полезной нагрузки, и единственной, которая осуществила металлическую 3D-печать с бортовой платформы. [ 28 ]
Роение дронов
[ редактировать ]Рои дронов используются для поиска целей, демонстрации дронов и доставки. В демонстрациях дронов обычно используются несколько освещенных дронов в ночное время для художественной демонстрации или рекламы. Рой дронов при доставке может доставлять несколько посылок в один пункт назначения одновременно и преодолевать ограничения полезной нагрузки и аккумулятора одного дрона. [ 29 ] Рой дронов может выполнять различные полёты , чтобы снизить общее потребление энергии из-за сил сопротивления. [ 30 ]
Роение дронов также может сопровождаться дополнительными проблемами контроля, связанными с человеческим фактором и оператором роя. Примеры этого включают высокие когнитивные потребности и сложность взаимодействия с несколькими дронами из-за изменения внимания между разными отдельными дронами. [ 31 ] [ 32 ] Связь между оператором и роем также является центральным аспектом. [ 33 ]
Акустические рои
[ редактировать ]В 2023 году исследователи Вашингтонского университета и Microsoft продемонстрировали акустические стаи крошечных роботов, которые создают умные динамики, меняющие форму. [ 34 ] Их можно использовать для управления акустическими сценами, чтобы сосредоточить внимание или приглушить звуки из определенного региона комнаты. [ 35 ] Здесь крошечные роботы взаимодействуют друг с другом, используя звуковые сигналы, без каких-либо камер, чтобы совместно перемещаться с точностью до сантиметра. Эти роевые устройства распределяются по поверхности, образуя распределенную и реконфигурируемую решетку беспроводных микрофонов. Они также возвращаются к зарядной станции, где их можно автоматически подзарядить. [ 36 ]
См. также
[ редактировать ]- Муравьиная робототехника
- Автономные агенты
- Робототехника, основанная на поведении
- Флокирование (поведение)
- Серая слизь
- Килобот
- Список новых технологий
- Микроботика
- Мультиагентная система
- Наноробототехника
- Нанотехнологии в художественной литературе
- Физикомиметика
- Робототехнические материалы
- Падающая звезда (дрон)
- Роевой интеллект
- Роевые роботизированные платформы
- Нетрадиционные вычисления
- Беспилотный летательный аппарат / Квадрокоптер
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дориго, Марко; Бираттари, Мауро; Брамбилл, Мануэле (2014). «Рой робототехники» . Схоларпедия . 9 (1): 1463. Бибкод : 2014SchpJ...9.1463D . doi : 10.4249/scholarpedia.1463 .
- ^ Хант, Эдмунд Р. (27 марта 2019 г.). «Социальные животные, которые вдохновляют стаи роботов на новое поведение» . Разговор . Проверено 28 марта 2019 г.
- ^ Хаманн, Х. (2018). Роевая робототехника: формальный подход . Нью-Йорк: Международное издательство Springer. ISBN 978-3-319-74528-2 .
- ^ Н. Коррелл, Д. Рус. Архитектуры и управление сетевыми робототехническими системами. В: Серж Кернбах (ред.): Справочник по коллективной робототехнике, стр. 81–104, Pan Stanford, Сингапур, 2013.
- ^ Ху, Дж.; Бхоумик, П.; Ланзон, А. (2020). «Двухуровневая распределенная стратегия управления формацией-сдерживанием для линейных роевых систем: алгоритм и эксперименты» . Международный журнал робастного и нелинейного управления . 30 (16): 6433–6453. дои : 10.1002/rnc.5105 .
- ^ Каган, Э.; Швальб, Н.; Гал, И. (2019). Автономные мобильные роботы и мультироботные системы: планирование движения, коммуникация и роение . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781119212867 .
- ^ Захуги, Эмаад Мохамед Х.; Шабани, Ахмед М.; Прасад, ТВ (2012), «Либот: Проектирование недорогого мобильного робота для уличной роевой робототехники», Международная конференция IEEE по кибертехнологиям в автоматизации, управлении и интеллектуальных системах (CYBER), 2012 г. , стр. 342–347, doi : 10.1109/КИБЕР.2012.6392577 , ISBN 978-1-4673-1421-3 , S2CID 14692473
- ^ Арвин, Ф.; Мюррей, Джей Си; Личэн Ши; Чунь Чжан; Шиган Юэ, « Разработка автономного микроробота для роевой робототехники », Международная конференция IEEE по мехатронике и автоматизации (ICMA), 2014 г., том, №, стр. 635,640, 3–6 августа 2014 г., doi: 10.1109/ICMA.2014.6885771
- ^ Альфонсо (20 сентября 2016 г.). Пять принципов роевого интеллекта . Проверено 14 августа 2024 г. - через YouTube.
- ^ Jump up to: а б Ху, Дж.; Ню, Х.; Карраско, Дж.; Леннокс, Б.; Арвин, Ф., « Автономные исследования нескольких роботов на основе Вороного в неизвестных средах посредством глубокого обучения с подкреплением », Транзакции IEEE по автомобильным технологиям, 2020.
- ^ Ху, Дж.; Тургут, А.; Крайник, Т.; Леннокс, Б.; Арвин, Ф., « Разработка протокола координации на основе окклюзии для задач автономного роботизированного управления ». Транзакции IEEE в когнитивных системах и системах развития, 2020.
- ^ Лендон, Брэд (6 октября 2014 г.). «ВМС США могут «наводнить» противников лодками-роботами» . Си-Эн-Эн.
- ^ Мадригал, Алексис К. (07 марта 2018 г.). «Рой дронов будет ужасающим, и его будет трудно остановить» . Атлантика . Проверено 7 марта 2019 г.
- ^ «Самоорганизующийся рой из тысячи роботов» . Гарвард . 14 августа 2014 года . Проверено 16 августа 2014 г.
- ^ Кушлеев, А.; Меллингер, Д.; Пауэрс, К.; Кумар, В., « К рою маневренных микроквадроторов » Автономные роботы, том 35, выпуск 4, стр. 287–300, ноябрь 2013 г.
- ^ Васархели, Г.; Вираг, К.; Таркай, Н.; Соморжай, Г.; Вичек, Т. Наружное скопление и групповой полет с автономными воздушными роботами . Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS 2014), 2014 г.
- ^ Файгл, Дж.; Крайник, Т.; Чудоба Дж.; Преусил, Л.; Саска, М. Недорогая встраиваемая система для относительной локализации в стаях роботов . В ICRA2013: Материалы Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации 2013 года. 2013.
- ^ Саска, М.; Вакула, Дж.; Преусил, Л. Стаи микролетательных аппаратов, стабилизированные при визуальной относительной локализации . В ICRA2014: Материалы Международной конференции IEEE 2014 г. по робототехнике и автоматизации. 2014.
- ^ Саска, М. MAV-рои: беспилотные летательные аппараты, стабилизируемые по заданной траектории с помощью бортовой относительной локализации . В материалах Международной конференции по беспилотным авиационным системам (ICUAS) 2015 г. 2015 год
- ^ Саска, М.; Чудоба Дж.; Преусил, Л.; Томас, Дж.; Лоянно, Г.; Треснак, А.; Вонасек, В.; Кумар, В. Автономное развертывание групп микроавиационных аппаратов при совместном наблюдении . В материалах Международной конференции по беспилотным авиационным системам (ICUAS) 2014 г. 2014.
- ^ Саска, М.; Лангр Дж.; Л. Преусил. Отслеживание шлейфа самостабилизирующейся группой микролетательных аппаратов . В «Моделировании и симуляции автономных систем», 2014 г.
- ^ Саска, М.; Касл, З.; Преусил, Л. Планирование движения и управление формированиями микролетательных аппаратов . В материалах 19-го Всемирного конгресса Международной федерации автоматического управления. 2014.
- ^ Саска, М.; Вонасек, В.; Крайник, Т.; Преусил, Л. Координация и навигация разнородных групп БПЛА-УГВ, локализованных с помощью подхода «ястребиный глаз» . Архивировано 10 августа 2017 г. на Wayback Machine . В материалах Международной конференции IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам 2012 г. 2012.
- ^ Чунг, Сун-Джо и др. « Обзор воздушной робототехники ». Транзакции IEEE по робототехнике 34.4 (2018): 837-855.
- ^ Саска, М.; Вонасек, В.; Крайник, Т.; Прейсил, Л. Координация и навигация гетерогенных образований MAV–UGV, локализованных с помощью подхода «ястребьего глаза» в рамках модельной схемы прогнозирующего управления . Международный журнал исследований робототехники 33(10):1393–1412, сентябрь 2014 г.
- ^ Квон, Хёксон; Пак, Дэниел Дж. (2012). «Надежный метод локализации мобильных целей для совместных беспилотных летательных аппаратов с использованием качества сенсорного синтеза» . Журнал интеллектуальных и робототехнических систем . 65 (1–4): 479–493. дои : 10.1007/s10846-011-9581-5 . S2CID 254656907 .
- ^ «Розотика – решение крупнейших проблем отрасли» .
- ^ «Технология» . 25 июля 2020 года. Архивировано из оригинала 4 августа 2020 года . Проверено 16 августа 2020 г. .
- ^ Алькоуз, Бальзам; Бугеттайя, Атман; Мистри, Саджиб (18–24 октября 2020 г.). «Дрон как услуга на базе Swarm (SDaaS) для доставки». Международная конференция IEEE по веб-сервисам (ICWS) 2020 года . стр. 441–448. arXiv : 2005.06952 . дои : 10.1109/ICWS49710.2020.00065 . ISBN 978-1-7281-8786-0 . S2CID 218628807 .
- ^ Алькоуз, Бальзам; Бугеттая, Атман (7–9 декабря 2020 г.). «Выбор 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 . дои : 10.1145/3448891.3448899 . ISBN 9781450388405 . S2CID 226955877 .
- ^ Хокраффер, Эми; Нам, Чанг С. (2017). «Метаанализ интерфейсов человек-система в управлении роем беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)». Прикладная эргономика . 58 : 66–80. дои : 10.1016/j.apergo.2016.05.011 . ПМИД 27633199 .
- ^ Льюис, Майкл (2013). «Взаимодействие человека с несколькими удаленными роботами». Обзоры человеческого фактора и эргономики . 9 (1): 131–174. дои : 10.1177/1557234X13506688 .
- ^ Коллинг, Андреас; Филипп, Уокер; Ниланджан, Чакраборти; Катя, Сикара; Майкл, Льюис (2016). «Взаимодействие человека с стаями роботов: опрос» (PDF) . Транзакции IEEE в человеко-машинных системах . 46 (1): 9–26. дои : 10.1109/THMS.2015.2480801 . S2CID 9975315 .
- ^ Итани, Малек; Чен, Туочао; Ёсиока, Такуя; Голлакота, Шьямнатх (21 сентября 2023 г.). «Создание речевых зон с самораспространяющимися акустическими роями» . Природные коммуникации . 14 (1): 5684. Бибкод : 2023NatCo..14.5684I . дои : 10.1038/s41467-023-40869-8 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 10514314 . ПМИД 37735445 .
- ^ «Умный динамик, меняющий форму, разработанный командой UW, позволяет пользователям отключать звук в разных частях комнаты» . Новости УВ . Проверено 21 сентября 2023 г.
- ^ «Создание речевых зон с использованием самораспространяющихся акустических роев» . acusticswarm.cs.washington.edu . Проверено 21 сентября 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Полностью децентрализованный рой роботов, выполняющий коллективный поиск и исследование - Группа прикладной сложности и движение, Лаборатория управления энергией в SUTD
- Рой-боты: стаи самособирающихся артефактов - проект ЕС IST-FET (2001–2005 гг.)
- Отмеченное наградами видео о роевых роботах на выставке AAAI 2007. [ постоянная мертвая ссылка ]