مقدمه ای برای روباتیک swarm

Swarm Robotics زمینه ای از چند روباتیک است که در آن تعداد زیادی از روبات ها به روشی توزیع شده و غیرمتمرکز هماهنگ می شوند. این مبتنی بر استفاده از قوانین محلی و روبات های ساده در مقایسه با پیچیدگی کار برای دستیابی و الهام گرفته از حشرات اجتماعی است. تعداد زیادی از روبات های ساده می توانند وظایف پیچیده ای را به روشی کارآمدتر از یک ربات واحد انجام دهند و استحکام و انعطاف پذیری را به گروه می دهند. در این مقاله ، مروری بر روباتیک Swarm آورده شده است که خصوصیات و ویژگی های اصلی آن را توصیف می کند و آن را با سیستم های چند روباتیک عمومی مقایسه می کند. مروری بر آثار مختلف تحقیقاتی و نتایج تجربی ، همراه با بحث در مورد روباتیک Swarm در آینده در برنامه های دنیای واقعی این کار را انجام می دهد.

1. معرفی

Swarm Robotics مطالعه چگونگی هماهنگی گروه های بزرگ روبات های نسبتاً ساده با استفاده از قوانین محلی است. الهام بخش آن از جوامع حشرات است که می توانند کارهایی را انجام دهند که فراتر از توانایی های افراد باشد. بنی [1] این نوع هماهنگی روبات ها را به شرح زیر توصیف می کند:

گروه روبات ها فقط یک گروه نیستند. این ویژگی دارای ویژگی های خاصی است که در ازدحام حشرات یافت می شود ، یعنی کنترل غیر متمرکز ، عدم هماهنگ سازی ، اعضای یکسان ساده و (شبه).

این مقاله به طور خلاصه تحقیقات انجام شده در سالهای گذشته در این زمینه از سیستم های چند رابین است. هدف این است که نگاهی اجمالی به روباتیک های Swarm و کاربردهای آن ارائه دهیم. در بخش 2 ، انگیزه و الهام از روباتیک های شمشیربازی که از حشرات اجتماعی گرفته شده است توضیح داده شده است. بخش 3 به پرداختن به ویژگی های اصلی روباتیک Swarm ادامه می دهد. رابطه رباتیک Swarm با سیستم های چند روباتیک به طور کلی در بخش 4 بیان شده است. سیستم عامل های مختلف روباتیک و شبیه سازهای مناسب برای آزمایش های متقاطع-رابوتیک در بخش 5 شرح داده شده است. بخش 6 نتایج مختلف را در حل وظایف و انجام رفتارهای اساسی با استفاده از یک بررسی می کندرویکرد swarm-robotic. برنامه های واقعی و آینده واقعی در بخش 7 نشان داده شده است. در آخر ، در بخش 8 ایده های اصلی این نظرسنجی خلاصه شده است.

2. انگیزه و الهام حشرات اجتماعی

رفتارهای جمعی حشرات اجتماعی ، مانند رقص عسل ، لانه سازی Wasp ، ساخت تپه موریانه یا دنباله زیر مورچه ها ، برای مدت طولانی جنبه های عجیب و مرموز زیست شناسی در نظر گرفته شد. محققان در دهه های اخیر نشان داده اند که افراد برای تولید چنین رفتارهای پیچیده ای نیازی به نمایش یا دانش پیشرفته ندارند [2]. در حشرات اجتماعی ، افراد از وضعیت جهانی مستعمره مطلع نمی شوند. هیچ رهبری وجود ندارد که همه افراد دیگر را برای تحقق اهداف خود راهنمایی کند. دانش SWARM در تمام عوامل توزیع می شود ، جایی که یک فرد قادر به انجام وظیفه خود بدون بقیه ازدحام نیست.

حشرات اجتماعی قادر به تبادل اطلاعات هستند و به عنوان مثال ، مکان یک منبع غذایی ، یک منطقه علوفه ای مطلوب یا وجود خطر برای همسران خود را برقرار می کنند. این تعامل بین افراد مبتنی بر مفهوم محل است ، جایی که هیچ دانش در مورد وضعیت کلی وجود ندارد. ارتباط ضمنی از طریق تغییرات ایجاد شده در محیط ، Stigmergy نامیده می شود [3 ، 4]. حشرات به دلیل تغییرات قبلی که توسط همسرانشان در محیط ایجاد شده است ، رفتارهای خود را اصلاح می کنند. این را می توان در ساخت لانه موریانه ها مشاهده کرد ، جایی که تغییرات در رفتارهای کارگران با ساختار لانه تعیین می شود [5].

سازمان از تعامل بین افراد و بین افراد و محیط زیست بیرون می آید. این فعل و انفعالات در کل مستعمره پخش می شود و بنابراین مستعمره می تواند کارهایی را که توسط یک فرد تنها قابل حل نیست ، حل کند. این رفتارهای جمعی به عنوان رفتارهای خود سازماندهی تعریف می شوند. نظریه های خود سازماندهی ، که از حوزه های فیزیک و شیمی وام گرفته شده است ، می تواند برای توضیح چگونگی نمایش حشرات اجتماعی رفتار جمعی پیچیده ای که از تعامل افراد به سادگی رفتار می کند ، استفاده شود [5]. خود سازماندهی متکی به ترکیب چهار قانون اساسی زیر است: بازخورد مثبت ، بازخورد منفی ، تصادفی و تعامل چندگانه [5].

şahin [7] برخی از خواص دیده شده در حشرات اجتماعی را در سیستم های چند ربوتیک مطلوب نشان می دهد: استحکام ، Swarm ربات باید حتی اگر برخی از افراد شکست بخورد ، قادر به کار باشد ، یا اختلالات در محیط وجود دارد. انعطاف پذیری ، Swarm باید بتواند راه حل های مختلفی را برای کارهای مختلف ایجاد کند و بسته به نیاز لحظه ، می تواند هر نقش ربات را تغییر دهد. مقیاس پذیری ، Swarm Robot باید بتواند در اندازه های مختلف گروهی کار کند ، از معدود افراد تا هزاران نفر از آنها.

3. خصوصیات اصلی

برای درک اینکه Robotics Swarm چیست ، تعریفی از آن گرفته شده است

Robotics Swarm مطالعه این است که چگونه تعداد زیادی از عوامل نسبتاً ساده از نظر جسمی می توانند به گونه ای طراحی شوند که یک رفتار جمعی مورد نظر از تعامل محلی بین عوامل و بین عوامل و محیط زیست بیرون می آید.

این تعریف با مجموعه ای از معیارها تکمیل شده است تا درک بهتری داشته باشد و قادر به تمایز آن از سایر انواع سیستم های چند رابات باشد [7].(i) روبات های Swarm باید روبات های خودمختار باشند که قادر به حس و فعالیت در یک محیط واقعی هستند.(ب) تعداد روبات های موجود در ازدحام باید بزرگ باشد یا حداقل قوانین کنترل آن را مجاز می دانند.(iii) روبات ها باید همگن باشند. انواع مختلفی از روبات ها را در ازدحام وجود دارد ، اما این گروه ها نباید خیلی زیاد باشند.(IV) روبات ها باید نسبت به کار اصلی که برای حل آنها دارند ، ناتوان یا ناکارآمد باشند ، این است که آنها برای موفقیت یا بهبود عملکرد باید همکاری کنند.(v) روبات ها فقط قابلیت های ارتباط محلی و سنجش دارند. این تضمین می کند که هماهنگی توزیع شود ، بنابراین مقیاس پذیری به یکی از خصوصیات سیستم تبدیل می شود.

4- روباتیک های Swarm و سیستم های چند ربوتیک

در این بخش ، ما روباتیک های Swarm را با استفاده از شناخته شده ترین طبقه بندی ها و طبقه بندی ها در ادبیات سیستم های چند روباتیک طبقه بندی و توصیف می کنیم. Dudek و همکاران. یک طبقه بندی [8] را تعریف کنید که در آن از محورهای مختلف برای توصیف معماری های چند روباتیک با استفاده از خواص آنها استفاده می شود. محورهای طبقه بندی در جدول 1 خلاصه شده است که مستقیماً از نویسنده استخراج می شود. با استفاده از این طبقه بندی ، خواص به هر یک از محورها ، برای یک معماری عمومی-روبوتیک عمومی اختصاص می یابد ، اگرچه این خصوصیات به معماری بتونی بستگی دارد. اندازه جمعی اندازه آن است ، یعنی تعداد روبات ها

، در تقابل با اندازه-LIM ، جایی که تعداد روبات ها در مقایسه با اندازه کار یا محیط کوچک است. این مقیاس پذیری با هدف در سیستم های Swarm-Robotic را بیان می کند. دامنه ارتباطی کاملاً شبانه است ، روبات ها فقط می توانند با روبات هایی که به اندازه کافی نزدیک هستند ارتباط برقرار کنند. توپولوژی ارتباطی برای یک سیستم swarm به طور کلی از درجه بالایی خواهد بود ، روبات ها در یک نمودار کلی مرتبط هستند. پهنای باند ارتباطی باند باند است ، هزینه های ارتباطی از همان اندازه هزینه جابجایی ربات بین مکان ها برخوردار است. پیکربندی مجدد جمعی به طور کلی ARR-COMM است ، این ، تنظیم مجدد هماهنگ با اعضا که ارتباط برقرار می کنند. اما همچنین می تواند Arr-Dyn ، ترتیب پویا باشد ، موقعیت ها می توانند به طور خودسرانه تغییر کنند. توانایی فرآیند Proc-TME است ، جایی که مدل محاسباتی یک معادل دستگاه تورینگ است. سرانجام ، ترکیب جمعی CMP-HOM است ، به این معنی که روبات ها همگن هستند.

Iocchi و همکاران. یک طبقه بندی [6] ساختار یافته در سطوح مختلف ارائه دهید. سطح اول همکاری است که شامل وضعیتی است که در آن چندین روبات یک کار مشترک را انجام می دهند. سطح دوم دانش است ، که متمایز می کند که آیا روبات ها از وجود سایر روبات ها (آگاه) یا نه (غافل) اطلاع دارند. سطح سوم هماهنگی است ، برای تمایز درجه ای که روبات ها اقدامات انجام شده توسط سایر روبات ها را در نظر می گیرند. به گفته نویسندگان طبقه بندی این می تواند: به شدت هماهنگ ، ضعیف هماهنگ یا هماهنگ نباشد. سطح آخر سازمان است ، که بین سیستم های متمرکز تمایز قائل می شود ، جایی که یک روبات وجود دارد که مسئول سازماندهی کار سایر روبات ها باشد و سیستم های توزیع شده ، جایی که روبات ها در تصمیمات خود خودمختار هستند ، یعنی هیچ رهبر وجود ندارد. طبق این طبقه بندی ، سیستم های متلاطم-روبوتیک عبارتند از: تعاونی ، آگاه ، با هماهنگی (آنها همچنین می توانند با هماهنگی ضعیف باشند) و توزیع می شوند. یک طرحواره از طبقه بندی در شکل 1 نشان داده شده است ، جایی که برای هر سطح نوع مربوط به سیستم به رنگ خاکستری تیره برای یک سیستم ازدحام-روباتیک مشخص شده است.