Pengenalan robotik kawanan

Berinteraksi, memahami dan kemudian bertindak balas terhadap situasi adalah beberapa ciri manusia yang paling hebat dan itulah yang menjadikan kita seperti apa adanya. Kita dilahirkan untuk hidup dalam masyarakat sosial dan kita selalu mengetahui tentang kita bahawa kita adalah makhluk sosial yang paling baik yang dikenali sejak penciptaan planet ini.

Budaya sosial dan interaksi antara satu sama lain untuk menolong tujuan bersama tidak hanya terdapat pada manusia tetapi juga pada spesies lain di planet ini seperti kawanan burung atau ikan atau lebah, semuanya mempunyai satu kesamaan yang mereka miliki tingkah laku kolektif. Ketika burung berhijrah, ia sering dilihat dalam kumpulan yang dipimpin oleh ahli utama kumpulan mereka dan semuanya mengikutinya dan kumpulan mereka dirancang dalam bentuk geometri tertentu walaupun burung tidak mempunyai rasa bentuk dan bentuk dan juga kumpulan dibuat sedemikian rupa sehingga anggota kanan kumpulan berada di sempadan sementara yang muda atau yang baru lahir berada di pusat.

Ciri-ciri yang sama terdapat pada semut api, semut ini sedikit berbeza dengan spesies semut lain dan sangat terkenal dengan tingkah laku kumpulan mereka, mereka membina bersama, mereka makan bersama dan mereka mempertahankan koloni mereka dari mangsa bersama, pada dasarnya mereka tahu mereka dapat mencapai lebih banyak ketika mereka berada dalam kumpulan. Satu kajian baru-baru ini dilakukan mengenai tingkah laku kumpulan semut ini di mana didapati bahawa mereka mampu membuat struktur yang kuat kapan pun diperlukan, seperti ketika diperlukan untuk membuat jambatan kecil untuk menyeberang.

Tingkah laku kolektif haiwan sosial dan serangga ini membantu mereka untuk mencapai lebih banyak walaupun terdapat kekangan mereka. Para penyelidik telah membuktikan bahawa individu dari kumpulan ini tidak memerlukan perwakilan atau pengetahuan yang canggih untuk menghasilkan tingkah laku yang kompleks. Dalam serangga sosial, individu haiwan dan burung tidak diberitahu mengenai status global koloni. Pengetahuan mengenai kawanan disebarkan ke semua agen, di mana seseorang individu tidak dapat melaksanakan tugasnya tanpa kumpulan lain. Bagaimana jika penginderaan kolektif ini dapat dibawa ke dalam kumpulan Robot? Inilah robotika kawanan dan kita akan mengetahui perkara ini secara terperinci dalam artikel ini .

Robot sebagai sebahagian daripada kawanan

Persekitaran kita di mana kita tinggal sangat memberi inspirasi kepada kita, banyak dari kita mengambil inspirasi untuk karya mereka dari alam semula jadi dan alam sekitar, penemu terkenal seperti Leonardo da Vinci melakukannya dengan sangat baik dan dapat dilihat dalam reka bentuknya di dunia masa kini kita juga membuat proses yang sama berfungsi untuk kita untuk menyelesaikan masalah reka bentuk dan kejuruteraan seperti hidung peluru yang diilhami dari paruh kingfisher sehingga mempunyai kelajuan lebih banyak dan lebih hemat tenaga dan menghasilkan bunyi yang agak kurang ketika melewati terowong dan ada istilah yang diciptakan untuk ini dan dikenali sebagai Biomimikri.

Oleh itu, untuk menyelesaikan tugas-tugas yang kompleks di mana campur tangan manusia sukar dan mempunyai kerumitan yang lebih tinggi daripada sekadar robot biasa seperti kes penggunaan tertentu di mana bangunan runtuh kerana gempa bumi dan orang-orang tertekan di bawah konkrit, tentunya masalah ini memerlukan beberapa jenis robot yang dapat menjalankan banyak tugas sekaligus dan cukup kecil untuk membuatnya melalui konkrit dan membantu mendapatkan maklumat tentang kewujudan manusia sejak awal, jadi apa yang terlintas di fikiran anda, sekumpulan robot kecil yang kecil cukup dan secara autonomi membuat cara mereka sendiri dan mendapatkan maklumat dan ia pasti meniru sekumpulan serangga atau lalat dan oleh itu di mana robotik kawanan menjadi tempat pertama dan inilah yang lebih formal. Robotik kawananadalah bidang multi-robotik di mana sebilangan besar robot diselaraskan secara diedarkan dan terdesentralisasi. ini berdasarkan penggunaan peraturan tempatan, robot sederhana kecil yang diilhamkan oleh tingkah laku kolektif serangga sosial sehingga sebilangan besar robot sederhana dapat mengatasi tugas yang kompleks dengan cara yang lebih efisien daripada robot tunggal, memberikan kekuatan dan fleksibiliti kepada kumpulan.

Organisasi dan kumpulan muncul dari interaksi antara individu dan antara individu dan persekitaran yang merangkumi, interaksi ini tersebar di seluruh jajahan dan oleh itu koloni dapat menyelesaikan tugas-tugas yang sukar diselesaikan oleh individu tunggal yang bermaksud berusaha menuju matlamat bersama.

Bagaimana Robot Swarm diilhamkan dari Serangga Sosial

Sistem multi-robot mengekalkan beberapa ciri serangga sosial seperti ketahanan, kawanan robot dapat berfungsi walaupun sebilangan individu tersebut gagal, atau terdapat gangguan di persekitarannya; fleksibiliti, kawanan dapat membuat penyelesaian yang berbeza untuk tugas yang berbeza dan dapat mengubah setiap peranan robot bergantung pada keperluan masa. Skalabiliti, kawanan robot dapat berfungsi dalam pelbagai ukuran kumpulan, dari beberapa individu hingga ribuan daripadanya.

Ciri-ciri Robot Swarm

Seperti yang dikatakan kawanan robot sederhana memperoleh ciri serangga sosial yang disenaraikan seperti berikut

1. Kumpulan robot mesti autonomi, dan dapat merasakan dan bertindak dalam persekitaran sebenar.

2. Jumlah robot dalam kawanan mesti cukup besar untuk menyokong setiap tugas mereka sebagai satu kumpulan yang mereka wajib lakukan.

3. Harus ada keseragaman di kawanan, mungkin ada kumpulan yang berbeza di kawanan tetapi mereka tidak boleh terlalu banyak.

4. Satu robot kawanan mesti tidak mampu dan tidak cekap sehubungan dengan objektif utamanya, iaitu, mereka perlu bekerjasama untuk berjaya dan meningkatkan prestasi.

5. Semua robot diwajibkan hanya memiliki kemampuan penginderaan dan komunikasi setempat dengan pasangan kawanan yang berdekatan, ini memastikan koordinasi kawanan diedarkan dan skalabilitas menjadi salah satu sifat sistem.

Sistem Pelbagai Robotik dan Robot Berkumpulan

Robotik kawanan adalah bahagian dari sistem multi-robot dan sebagai satu kumpulan, mereka mempunyai beberapa ciri pada pelbagai paksi mereka yang menentukan tingkah laku kumpulan mereka

Ukuran kolektif: Ukuran kolektif adalah SIZE-INF yang N >> 1 yang bertentangan dengan SIZE-LIM, di mana bilangan N robot lebih kecil daripada ukuran persekitaran masing-masing yang dimasukkan.

Jangkauan komunikasi: Jangkauan komunikasi adalah COM-NEAR, sehingga robot hanya dapat berkomunikasi dengan robot yang cukup dekat.

Topologi komunikasi: Topologi komunikasi untuk robot di kawanan biasanya TOP-GRAPH, robot dihubungkan dalam topologi grafik umum.

Lebar jalur komunikasi: Lebar jalur komunikasi adalah BAND-MOTION, Kos komunikasi antara kedua robot adalah sama dengan menggerakkan robot antara lokasi.

Pengumpulan semula kolektif: Pengaturan semula kolektif biasanya ARR-COMM, ini adalah susunan yang diselaraskan dengan anggota yang berkomunikasi, tetapi mungkin juga ARR-DYN, itu adalah pengaturan dinamis, posisi dapat berubah secara rawak.

Keupayaan proses: Keupayaan proses adalah PROC-TME, di mana model komputasi adalah mesin penalaan yang setara.

Komposisi kolektif: Komposisi kolektif adalah CMP-HOM, yang bermaksud bahawa robot adalah homogen.

Kelebihan Sistem Multi-Robotik berbanding dengan Robot Tunggal

• Tugas Parallelism: Kita semua tahu tugas-tugas itu dapat diuraikan, dan kita semua mengetahui kaedah pengembangan tangkas, jadi dengan menggunakan paralelisme, kumpulan dapat membuat untuk melaksanakan tugas dengan lebih efisien.
• Pengaktifan Tugas: Kumpulan lebih kuat daripada satu dan yang sama berlaku untuk robotik kawanan, di mana sekumpulan robot dapat membuat tugas melakukan tugas tertentu yang mustahil untuk satu robot
• Taburan dalam Sensing: Sebagai kawanan mempunyai penginderaan kolektif sehingga mempunyai jangkauan penginderaan yang lebih luas daripada jangkauan robot tunggal.
• Pembahagian dalam Tindakan: Sekumpulan robot dapat melakukan tindakan yang berbeza di tempat yang berbeza pada masa yang sama.
• Toleransi Kesalahan: Kegagalan robot tunggal dalam sekumpulan robot dalam kumpulan tidak menunjukkan bahawa tugas itu akan gagal atau tidak dapat diselesaikan.

Platform Eksperimental dalam Swarm Robotics

Terdapat pelbagai platform eksperimen yang digunakan untuk robotika kawanan yang melibatkan penggunaan platform eksperimen yang berbeza dan simulator robot yang berbeza untuk merangsang persekitaran robotik kawanan tanpa perkakasan sebenar yang diperlukan.

1. Platform Robotik

Platform robot yang berbeza digunakan dalam eksperimen robot kawanan yang berbeza di makmal yang berbeza

(i) Baju kurung

Sensor yang digunakan: ia mempunyai pelbagai sensor untuk membantu bot keluar termasuk sensor jarak jauh dan kamera.

Gerakan: Ia menggunakan roda untuk bergerak dari satu ke yang lain.

Dibangunkan oleh: Ia dibangunkan oleh Rice University, Amerika Syarikat

Huraian: SwarmBot adalah platform robot kawanan yang dibangunkan untuk penyelidikan oleh Universiti Rice. Ia boleh berfungsi secara automatik selama kira-kira 3 jam dengan sekali caj, juga bot ini dapat digunakan sendiri untuk mencari dan menyambungkan diri ke stesen pengecasan yang diletakkan di dinding.

(ii) Kobot

Sensor yang digunakan: Ini melibatkan penggunaan sensor jarak, sensor penglihatan dan kompas.

Gerakan: Ia menggunakan roda untuk pergerakan mereka

Dibangunkan oleh: Ia dibangunkan di Makmal Penyelidikan KOVAN di Universiti Teknikal Timur Tengah, Turki.

Penerangan: Kobot direka khusus untuk penyelidikan robotika kawanan. Ia terbuat dari beberapa sensor yang menjadikannya platform yang sempurna untuk melakukan pelbagai situasi robot kawanan seperti gerakan terkoordinasi. Ia boleh berfungsi secara automatik selama 10 jam dengan sekali caj. Ini juga termasuk bateri yang dapat diganti yang akan diisi ulang secara manual dan kebanyakannya digunakan dalam pelaksanaan senario mengatur diri.

(iii) S-bot

Sensor yang digunakan: Ia menggunakan pelbagai sensor untuk berfungsi seperti sensor cahaya, IR, posisi, kekuatan, kelajuan, suhu, kelembapan, pecutan, dan mikrofon.

Gerakan: Ia menggunakan penggunaan treel yang melekat pada pangkalannya untuk pergerakannya.

Dibangunkan oleh: Ia dibangunkan oleh École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Switzerland.

Penerangan: S-bot adalah salah satu daripada beberapa platform robot kawanan yang cekap dan besar yang pernah dibina. ia mempunyai reka bentuk gripper yang unik yang mampu mencengkam objek dan s-bot lain. Mereka juga boleh bersenam selama 1 jam dengan sekali bayaran.

(iv) Robot Melati

Sensor yang digunakan: Ia menggunakan sensor jarak dan cahaya.

Dibangunkan oleh: Ia dibangunkan oleh University of Stuttgart, Jerman.

Gerakan: Ia membuat pergerakan pada roda.

Penerangan: Robot bergerak Jasmine adalah platform robot kawanan yang digunakan dalam banyak penyelidikan robot kawanan.

(v) E-Puck

Sensor yang digunakan: Menggunakan pelbagai sensor seperti jarak, kamera, galas, pecutan, dan mikrofon.

Dibangunkan oleh: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Switzerland

Gerakan: Ia berdasarkan pergerakan roda.

Penerangan: E-puck terutamanya direka untuk tujuan pendidikan dan merupakan salah satu robot yang paling berjaya. Namun, kerana kesederhanaan, ia sering digunakan dalam penyelidikan robotik kawanan juga. Ia mempunyai bateri yang boleh diganti pengguna dengan masa kerja 2-4 jam.

(vi) Kilobot

Sensor yang digunakan: Ia menggunakan kombinasi sensor jarak dan cahaya.

Dibangunkan oleh: Universiti Harvard, Amerika Syarikat

Gerakan: Ia menggunakan getaran sistem untuk pergerakan badan sistem.

Penerangan: Kilobot adalah platform robot kawanan yang baru-baru ini dengan fungsi unik pengisian kumpulan dan pengaturcaraan kumpulan. Oleh kerana kesederhanaan dan penggunaan tenaga yang rendah, ia mempunyai waktu operasi sehingga 24 jam. Robot dikenakan secara manual dalam kumpulan di stesen pengecasan khas.

2. Simulator

Simulator robot menyelesaikan masalah perkakasan yang diperlukan untuk menjalankan tugas menguji kredibiliti bot dalam parameter persekitaran sebenar yang disimulasikan secara buatan.

Terdapat banyak simulator robot yang boleh digunakan untuk eksperimen robotik, dan lebih khusus lagi untuk eksperimen robot kawanan dan semuanya berbeza dari aspek teknikalnya tetapi juga dari segi lesen dan kosnya. Beberapa simulator untuk bot kawanan dan platform Multi-robot adalah seperti berikut:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D adalah simulator untuk multi-robotik tetapi direka khusus untuk robot S-Bot projek SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: Studio robotik adalah simulator yang dikembangkan oleh Microsoft. Ia membolehkan simulasi multi-robot dan memerlukan platform Windows untuk dijalankan.
• Webots: Webots adalah simulator mudah alih yang realistik yang membolehkan simulasi multi-robot, dengan model robot sebenar yang sudah dibina. Ia dapat mensimulasikan perlanggaran nyata dengan menerapkan fizik dunia nyata. Namun, prestasinya menurun ketika bekerja dengan lebih daripada robot membuat simulasi dengan sebilangan besar robot sukar.
• Pemain / pentas / Gazebo: Pemain / pentas / Gazebo adalah simulator sumber terbuka dengan keupayaan multi-robot dan sekumpulan robot dan sensor yang tersedia untuk digunakan. Ia dapat menangani simulasi percubaan kawanan-robot dalam persekitaran 2D dengan hasil yang sangat baik. Ukuran populasi di persekitaran dapat mencapai hingga 1000 robot sederhana dalam waktu nyata.

Algoritma dan Teknik yang digunakan untuk pelbagai tugas dalam Swarm Robotics

Di sini kita akan meneroka pelbagai teknik yang digunakan dalam robotika kawanan untuk pelbagai tugas mudah seperti pengagregatan, penyebaran dan lain-lain. Tugas-tugas ini adalah langkah awal asas untuk semua pekerja kelas atas dalam robotik kawanan.

Agregasi: Gabungan mengumpulkan semua bot dan sangat penting dan langkah awal dalam langkah-langkah kompleks lain seperti pembentukan corak, pemasangan diri, pertukaran maklumat dan pergerakan kolektif. Robot menggunakan sensornya seperti sensor jarak dan mikrofon yang menggunakan mekanisme pertukaran bunyi dengan bantuan penggerak seperti pembesar suara. Sensor membantu bot tunggal untuk mencari robot terdekat yang juga menjadi pusat kumpulan, di mana bot harus hanya menumpukan perhatian pada bot lain yang berada di tengah kumpulan dan mencapai ke arahnya dan proses yang sama diikuti oleh semua anggota kawanan yang membiarkan mereka mengumpulkan semua.

Penyebaran: Apabila robot digabungkan di satu tempat, maka langkah seterusnya adalah menyebarkannya di persekitaran di mana mereka bekerja sebagai satu-satunya anggota kawanan dan ini juga membantu dalam penerokaan persekitaran setiap bot kawanan berfungsi sebagai sensor tunggal apabila dibiarkan untuk diterokai. Pelbagai algoritma telah dicadangkan dan digunakan untuk penyebaran robot, salah satu pendekatannya merangkumi algoritma medan berpotensi untuk penyebaran robot di mana robot dapat ditolak oleh halangan dan robot lain yang membolehkan persekitaran kawanan menyebar secara linear.

Salah satu pendekatan lain melibatkan penyebaran berdasarkan membaca isyarat intensiti tanpa wayar, isyarat intensiti tanpa wayar membolehkan robot bersurai tanpa pengetahuan jiran terdekat mereka hanya menangkap intensiti tanpa wayar dan mengaturnya untuk menyebarkannya di persekitaran sekitarnya.

Pembentukan Corak: Pembentukan corak dalam robotika kawanan adalah ciri utama tingkah laku kolektif mereka, corak ini dapat sangat membantu ketika masalah diselesaikan yang melibatkan keseluruhan kumpulan bekerjasama. Dalam pembentukan corak, bot membuat bentuk global dengan mengubah bahagian robot individu di mana setiap bot hanya mempunyai maklumat tempatan.

Sekumpulan robot membentuk struktur dengan bentuk yang ditentukan dalaman dan luaran. Peraturan yang menjadikan partikel / robot untuk digabungkan dalam formasi yang diinginkan adalah bersifat lokal, tetapi bentuk global muncul, tanpa mempunyai maklumat global sehubungan dengan anggota kumpulan tersebut. Algoritma menggunakan mata air maya antara zarah tetangga, dengan mengambil kira berapa banyak jiran yang mereka ada.

Pergerakan kolektif: Apa makna pasukan jika mereka semua tidak dapat menyelesaikan masalah bersama dan itulah bahagian terbaik dari kawanan? Pergerakan kolektif adalah cara membiarkan untuk mengkoordinasikan sekumpulan robot dan menjadikannya bergerak bersama sebagai satu kumpulan dengan cara yang padu. Ini adalah kaedah asas untuk membuat beberapa tugas kolektif dilakukan dan dapat diklasifikasikan kepada dua jenis pembentukan dan kawanan.

Terdapat banyak kaedah pergerakan kolektif tetapi hanya kaedah yang memungkinkan skalabilitas dengan semakin banyak robot menjadi perhatian di mana setiap robot mengenali kedudukan relatif jirannya dan bertindak balas dengan kekuatan masing-masing yang mungkin menarik atau menjijikkan untuk membentuk struktur pergerakan kolektif.

Memperuntukkan tugas: Peruntukan Tugas adalah bidang yang bermasalah dalam robotik kawanan berdasarkan pembahagian tenaga kerja. Walau bagaimanapun, terdapat pelbagai kaedah yang digunakan untuk pembahagian tenaga kerja, salah satunya ialah setiap robot akan melakukan pengamatan terhadap tugas robot lain dan menyimpan sejarah untuk hal yang sama dan kemudian dapat mengubah tingkah lakunya sendiri agar sesuai dengan tugasnya, kaedah ini didasarkan pada komunikasi gosip dan tentunya ia mempunyai prestasi yang lebih baik tetapi pada masa yang sama ia mempunyai kelemahan yang disebabkan oleh ketahanan yang terhad dan kehilangan paket semasa komunikasi, ia kelihatan kurang sesuai. Dalam kaedah lain, tugas diumumkan oleh beberapa robot dan sejumlah robot lain menghadapinya secara serentak, ini adalah kaedah yang mudah dan reaktif.

Mencari sumber: Robotika kawanan sangat berjaya dalam tugas pencarian sumber, terutama ketika sumber untuk pencarian itu rumit seperti suara atau bau. Pencarian dengan robotik kawanan dilakukan dengan dua cara satu global yang lain adalah tempatan, dan perbezaan antara keduanya adalah komunikasi. Satu dengan komunikasi global antara robot di mana robot dapat mencari sumber maksimum global. Yang lain hanya terhad kepada komunikasi tempatan antara robot untuk mencari maksima tempatan.

Mengangkut objek: Semut mempunyai pengangkutan objek secara kolektif di mana semut individu menunggu jodoh yang lain untuk bekerjasama jika objek yang hendak diangkut terlalu berat. Di bawah robot ringan yang sama, kawanan membuat semuanya berfungsi dengan cara yang sama di mana setiap robot mempunyai kelebihan untuk mendapatkan kerjasama dari robot lain untuk mengangkut objek. S-bot menawarkan platform yang bagus untuk menyelesaikan masalah pengangkutan di mana mereka berkumpul sendiri untuk bekerjasama dan algoritma mereka meningkat jika objek yang akan diangkut menjadi berat.

Kaedah lain adalah pengangkutan objek secara kolektif di mana objek dikumpulkan dan disimpan untuk pengangkutan kemudian, di sini robot mempunyai dua tugas yang berbeza - mengumpulkan objek dan meletakkannya di dalam troli, dan secara kolektif menggerakkan gerobak yang membawa objek tersebut.

Pemetaan Kolektif: Pemetaan kolektif digunakan untuk penerokaan dan pemetaan kawasan dalam ruangan besar dengan menggunakan sebilangan besar robot.

Dalam satu kaedah pemetaan dilakukan oleh dua kumpulan dua robot, yang bertukar maklumat untuk menggabungkan peta. Kaedah lain adalah berdasarkan peranan di mana robot dapat mengambil salah satu dari dua peranan yang bergerak atau mercu tanda yang dapat mereka tukar dengan pergerakan kawanan. Juga, robot mempunyai anggaran tertentu mengenai kedudukannya, begitu juga dengan anggaran lokasi robot lain untuk membina peta kolektif.

Aplikasi Dunia Robotik Berkumpulan

Walaupun penelitian ekstensif mengenai robotik kawanan telah dimulai sekitar tahun 2012 hingga sekarang ini belum keluar dengan aplikasi dunia nyata komersial, ia digunakan untuk tujuan perubatan tetapi tidak pada skala besar dan masih dalam pengujian. Terdapat pelbagai sebab di sebalik teknologi ini tidak keluar secara komersial.

Perancangan Algoritma untuk Individu dan Global: Tingkah laku kolektif kumpulan datang dari individu yang memerlukan untuk merancang robot tunggal dan tingkah lakunya, dan pada masa ini tidak ada kaedah untuk beralih dari individu ke tingkah laku kumpulan.

Ujian dan Pelaksanaan: Keperluan yang luas untuk makmal dan infrastruktur untuk pembangunan selanjutnya.

Analisis dan pemodelan: Pelbagai tugas asas yang dilakukan dalam robotika kawanan menunjukkan bahawa ini adalah tidak linear dan membina model matematik untuk kerjanya agak sukar

Di samping cabaran ini, terdapat cabaran keselamatan lebih lanjut bagi individu dan kumpulan kerana reka bentuknya yang sederhana

(i) Penangkapan fizikal robot.

(ii) Identiti individu dalam kawanan tersebut, bahawa robot mesti mengetahui sama ada ia berinteraksi dengan robot kawanannya atau kawanan lain.

(iii) Serangan komunikasi terhadap individu dan kawanan.

Matlamat utama robotik kawanan adalah untuk merangkumi kawasan yang luas di mana robot dapat bersurai dan melakukan tugas masing-masing. Ia berguna untuk mengesan kejadian berbahaya seperti kebocoran, ranjau darat dan lain-lain dan kelebihan utama rangkaian sensor yang diedarkan dan boleh bergerak ialah ia dapat merasakan kawasan yang luas dan bahkan bertindak di atasnya.

Aplikasi robotika kawanan sangat menjanjikan tetapi masih ada keperluan untuk pengembangannya baik dari segi algoritma dan pemodelan.