Управление роем робототехнических комплексов

Роевая робототехника - это область мультиробототехники, в которой большое количество роботов координируется распределенным и децентрализованным образом. Она основана на использовании местных правил и простых роботов по сравнению со сложностью задачи, которую необходимо выполнить, и вдохновлена социальными насекомыми. Большое количество простых роботов может выполнять сложные задачи более эффективным способом, чем один робот, что придает группе надежность и гибкость.

Основные характеристики

Роевая робототехника - это исследование того, как большое количество относительно простых физически воплощенных агентов может быть спроектировано таким образом, чтобы желаемое коллективное поведение возникало в результате локальных взаимодействий между агентами и между агентами и окружающей средой.

• Роботы роя должны быть автономными роботами, способными воспринимать и приводить в действие в реальной среде.
• Количество роботов в рое должно быть большим или, по крайней мере, это позволяют правила управления.
• Роботы должны быть однородными. В рое могут существовать различные типы роботов, но этих групп не должно быть слишком много.
• Роботы должны быть неспособны или неэффективны в отношении основной задачи, которую они должны решить, то есть им необходимо сотрудничать, чтобы добиться успеха или улучшить производительность.
• Роботы обладают только возможностями локальной связи и зондирования. Это гарантирует, что координация распределена, поэтому масштабируемость становится одним из свойств системы.

Роевая робототехника

Групповая, или роевая робототехника, - это область, которая исследует и находит новые подходы к координирующим системам, состоящим из множества роботов, преимущественно простой конструкции. В таких сценариях прогнозирующее поведение коллектива является результатом взаимодействия единиц робота между собой и с окружающей средой.

Результаты биологических исследований насекомых, а именно муравьев и пчел, а также результаты исследований в других областях природы, где имеет место роевое поведение, были адаптированы в направлении искусственного роевого интеллекта. Активность всего роя должна обусловливать каждое действие робота в такой системе. Взаимодействие и взаимосвязь между рядовыми роботами в системе упорядочены, и у каждого участника есть правила и задачи. Именно взаимодействие между членами группы создает постоянную обратную связь. Соответственно, сложно организованное поведение всего роя воплощается в простых правилах индивидуального поведения.

Понятие централизованного управления отступает на задний план, и вместо этого появляется роевой интеллект и даже групповой интеллект в пределах одного большого роя. Система будет управляться на основе общей задачи группы, а также местоположения каждого робота в определенный момент времени, прогнозируя поведение окружающих участников. Создание сложных систем, состоящих из простых компонентов, связано с решением нескольких специфических задач, типичных для совместно работающих роботов. Среди них отмечены такие:

• непредсказуемое постоянное изменение внешней среды вплоть до сознательного противодействия,
• неполные данные об окружающей среде и членах группы
• великое разнообразие векторов способов достижения цели, структуры команды, распределения ролей и т.д.,
• распределенный и динамичный характер планирования действий коллектива,
• проблемы, вызванные тем фактом, что роевые системы представляют собой набор физических объектов, функционирующих в сложной среде (проблемы с надежной связью, распределение команды в пространстве и т.д.),
• другие технические проблемы (сетевая архитектура, протоколы, операционные инструменты и т.д.).

Применение роев роботов

Понимание сложности, связанной с проектированием и моделированием роботов swarm, было и будет оставаться проблемой в промышленности. Здесь есть много препятствий, таких как взаимодействие между роботами, когда вы должны уметь просчитывать каждое возможное движение, разработанное каждым роботом; успешное взаимодействие разнородного роя; и манипулирование алгоритмами для обеспечения сложного поведения среди роботов-роев. В настоящее время основное применение роботизированных систем swarm включает, но не ограничивается:

• Добыча сырья. Эта область применения предполагает отличные возможности, но также требует от роя роботов многих навыков, таких как коллективное исследование, нахождение кратчайшего пути, эффективное распределение и управление задачами. Это также включает в себя задачу коллективной транспортировки объекта.
• Работа в экстремальных ситуациях, проведение поисково-спасательных операций на местах природных и техногенных катастроф и в зонах боевых действий. Например, рой роботов может решить проблему разминирования быстрее и дешевле, чем отдельный робот — выполняя технические операции, в том числе в опасных производствах. Роботы небольшого размера и веса могут свободно перемещаться в тесных проходах, оставаясь незамеченными вражескими радарными станциями.
• Мониторинг, съемка и изучение планеты Земля и других планет Солнечной системы. Сюда также может входить задача наблюдения за территориями и водами в условиях организованного противодействия противника, задание по поиску пострадавших под завалами после природных или техногенных катастроф, а также задача по отслеживанию и обезвреживанию взрывных устройств при антитеррористических операциях в густонаселенных городских районах.
• Очистка поверхности, акваторий морей и океанов, а также космического пространства от опасных химических и радиоактивных веществ.
• Выполнение некоторых хирургических операций, таких как неинвазивное удаление злокачественных опухолей.

Перспективы дальнейших улучшений и приложений

Алгоритмы роения основаны на самоорганизующемся поведении роя, подобном наблюдаемому в изобилующих природных системах, таких как колонии насекомых или стаи птиц, которые могут функционировать в самых разнообразных и динамичных условиях.

То же самое верно и для роев роботов. Они предназначены для работы в физическом мире, который обычно сталкивается с постоянными динамическими изменениями и должен справляться с событиями и внешними условиями, которые трудно предсказать или смоделировать.

В дополнение к огромному потенциалу применения в таких областях, как логистика, сельское хозяйство и инспектирование, единственной подходящей рабочей средой для роев являются помещения, непригодные для людей, в том числе труднодоступные, опасные или грязные. Роботизированные системы в этих средах могут помочь лучше наблюдать, понимать и использовать преимущества поведения роя: адаптивность, надежность и масштабируемость.

По сравнению с одним центральным роботом, преимущества роботизированных групповых систем заключаются в широкой масштабируемости с единой локальной связью, отказоустойчивости и способности к самоорганизации и саморегулированию.

Область применения таких технологий постоянно расширяется. Это варьируется от автономных поисково-спасательных операций до развертывания децентрализованных автономных систем защиты. Однако в настоящее время непредсказуемость и быстрая динамика внешней среды определяют ряд проблем, связанных с неполными и противоречивыми данными о состоянии внешнего мира, а также информацией о других членах команды, с множеством вариантов достижения цели, структурами команды и другими.

Решение этих проблем позволит качественно улучшить как аппаратное, так и программное обеспечение роботов, входящих в группы, повысить гибкость системы, а также повысить надежность и мощность группы роботов.