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长文综述:集群机器人的过去、现在与未来
作者:佚名 文章来源:本站原创 点击数: 更新时间:2021/7/20 7:20:49 | 【字体:

  先首,员领会到研究人,遭到自主机械人无限能力的强烈限制目前机械人集群能够施行的使命类型。群中工作为了在集,可以或许互动和交换每个机械人必需,伴和他们的工作而且可以或许识别同。定的传感、处置和交互能力这需要定制的硬件设想和特。从两方面限制了集群机械人研究的复杂性目前在机械人硬件和节制方面的局限性。方面一,决特定的(玩具式的)问题(例如已有特定的机械人被开辟出来解,ilobots [30])termes [56]和k。了新的研究标的目的这些例子斥地,植到分歧的上下文情况中但可重用组件并非总可移。方面另一,lice[19通用机械人(a,])曾经被用于发生概念证明57]和e-puck[37,人工世界中施行的雷同使命(例如凡是处置一些由自组织天然系统在,[13寻食,间接转换使命34])的。而然,群机械人设想时当硬件不是为集,人员需要同时处置数十个或可能数百个机械人日常工作可能会变得很是繁琐:这是由于研究,或上传软件)变得很是冗长繁琐从而使得简单操作(例如充电。集群中机械人的数量这往往限制了被测试,广度和主要性降低了演示的。后最,提的是值得一,尝试和很多将来的使用法式而言对于尝试室中利用大量集群的,是一个环节元素硬件小型化将。带来了极其坚苦的问题可是硬件规模的缩小,前为止到目,处理[58]这些问题尚未。

  人研究的一个根本范畴模仿件也是集群机械,理机械人的研究类似但其研究问题与物。常通,新的机械人集群演示而开辟的仿真软件都是从头起头为每个。模仿东西会是一项显著的前进开辟由研究者们共享的通用,成果的共享和比力由于可以或许简化研究。而然,如许的东西为了设想,模仿和现实世界之间的关系研究人员需要更好地舆解。人手艺中在机械,称为仿线]这个问题被,真开辟的机械人节制器时即当在现实世界中利用仿,模子之间的差别会导致机能下降仿真中利用的模子和现实世界的。机械人中尤为主要这一问题在集群,须与相互互动[44]这是由于很多机械人必,被进一步放大而这种问题将。不克不及完全消弭即便这些差别,也该当包管它们处于最低值抱负的机械人集群模仿器。

  则上原,使用于处理现实问题时当考虑将机械人集群,能否确实是最好的方式首要问题是机械人集群。而然,常坚苦的问题这是一个非,器人是一个年轻的学科出格是考虑到集群机,上所述而且如,未处理的研究问题该范畴仍有很多。此因,预期劣势来评估集群机械人处理方案的合用性当前的实践包罗基于相对于其他处理方案的,意的破例是Kazadi的工作[117并考虑可用手艺施加的束缚(一个值得注,8]11,是某给定问题的恰当手艺的问题他明白处理了机械人集群能否;仍处于提案阶段然而他的方式,正的机械人集群实践)而且尚未使用于任何真。人集群实现和摆设的工作方式因为缺乏从问题规范到机械,时指点选择集群机械人处理方案的遍及指点准绳下面研究人员将会商一些在处置具体使用问题。

  于人们等候基于自主机械人的现实使用将在不久的未来无处不在迄今为止对集群机械人研究的庞大乐趣[114-116]源,用户合作来避免集中节制的圈套以及让它们相互合作以及与人类。完成配合使命)和半合作场景(例好像时考虑到合作场景(即机械人协调,动组织的自利机械人受益于全球高效活,驶汽车)如主动驾,决将来机械人使用中复杂协调问题的环节集群机械人研究发生的学问和实践将是解。此因,员深信研究人,不只有益于该范畴本身推进集群机械人研究,消息物理系统和社会手艺系统等范畴并且很大程度上有益于机械人手艺、。

  化算法一类优,成而且通过某种机制被迭代地更新此中初始候选处理方案调集被生,生物演化的开导该机制遭到了。择的天然过程逐步演化来最大化方针函数(顺应度)处理方案的种群通过仿照更生、复制、从头连系和选。

  器人研究的历程为了鞭策集群机,的研究人员更容易分享成果和复现尝试研究人员需要开辟东西使得集群机械人。则长短常有价值的东西一些通用机械人平台。今为止利用最多的集群机械人平台e-puck[37]可能是迄,的个数跨越30个时可是当e-puck,很是复杂和高贵研究勾当将变得。Kilobot被普遍使用专为集群机械人研究而设想,严峻受限但其能力,而添加研究的可能性[59以致于虚拟化情况被提出从,0]6。不是为集群集群机械人研究而设想的虽然Crazyflies[61],机械人研究的飞翔平台[41]它们也越来越多地被用作集群。力来研发集群机械人的硬件研究人员仍然需要大量的努,究集体的需要从而满足研。先首,特征之间找到一个很好的折中方案研究人员必需在成本、尺寸和板载,的传感器和施行器确保具有足够丰硕,尺寸的限制同时连结,数百个机械人的尝试以便在尝试室中进行。此据,5厘米)之间的尺寸可能是一个很好的折衷方案介于kilobot和e-puck(直径约。自于其采用的模块化方式e-puck的成功来,计较能力可以或许进行插件扩展使得新的传感器、施行器或,细心的设想但这需要。量数据时当处置大,需要人工干涉时(例如特别是挪动机械人不,成到尝试情况中时将无线充电站集,进行无电池操作时)或者利用电动地板,利用kilobots)会极大简化尝试勾当同时对多个机械人进行编程和充电的可能性(。据而且实现尝试勾当主动化的集中系统将会加速研究的历程一个可以或许察看机械人的形态、挪动机械人、记实它们所获数,造福全世界而且极大地。

  够降服这些挑战若是研究人员能,功地从尝试室进入到现实世界集群机械人估计将在十年内成。会当即发生这种改变不,来越多的使用范畴但将逐渐涉及越,对新兴手艺处理方案的需求从而确定新的挑战以及缔造,年的研究和立异从而鞭策将来几。

  业也优良的成长潜力机械人集群在文娱行。内进行灯光表演的例子[131]目前曾经有一些无人机在室外和室,而然,事后放置的飞翔路径这凡是是基于集中。似地类,集中节制的处理方案来精细地节制系统[132其他开辟多机械人文娱系统的测验考试也依赖于一些,3]13。核心化方式若是考虑去,机械人集群而积极参与文娱勾当出格是若是用户可以或许通过参与,以至感情改变其动态并按照位置、活动,机缘[134]则可能会有新的。环境下在这种,HSI的全新模式将来研究能够试验,其他使用范畴自创这之后也能够被。如例,象各类HSI接口研究人员能够想,备[135]从可穿戴设,到脑机交互模式[110]加强和虚拟现实[136]。

  器人系统的顺应性一旦成立了多机,制方式最适合所涉及的问题研究人员就该当考虑哪种控。如例,现实或不成取时[120]当以集中体例协调机械人不,可能是准确的方式利用机械人集群。环境下在某些,定性和情况的不成预测性[121]集中式重规划能够处理使命的不确。而然,发事务顺应性具有强烈需求若是对在线识别功能和偶,、自组织的方式来实现最好是通过去核心化的。而然,种环境下即便在这,果其他方式该当考虑如,测节制[122如分布式模子预,3]12,以用可,简单模子要处理的问题和机械人的情况操作这可能并非如斯当它是不成能或很难建立。而然,(例如分布式模子预测节制[122人们该当考虑能否能够利用其他方式,3])12,对要处理的问题和机械人将要操作的情况时但当不成能或太难建立足够简单的模子来应,当别论了那就要另。

  集群的制软件的方式一种开辟用于机械人,转化为优化问题此中设想问题被。化算法所摸索的搜刮空间分歧的设想选择定义了优。

  orcement learning无模子和基于模子的强化学Model-free& model-based reinf习

  前为止到目,了大量的自治自组织机械人只要少数尝试成功地演示,践使用仍是一片空白而集群机械人的实。

  初最,用的各项概念的定义见表1)作为机械人之间间接通信和协调的手段对集群机械人的研究旨在测试利用stigmergy(本文中使。9-11]的程序跟跟着晚期研究[,象检索(foraging [13]2000年之后呈现了一些专注于对;、聚类[15]和对象排序[16]的研究Stick pulling[14])。的群居虫豸的已知行为这些研究始于察看所得,似行为的集群机械人而且摆设了具有相。环境下在少数,生物系统中察看到的动态(例如集群机械人被用来慎密复制在,集[17])甲由群的聚,夹杂社会[18]的先例这发生了生物-机械人。外此,生物学问题的东西(例如机械人集群还被用作处理,il network geometry)是什么[19])寻找食物源和巢穴之间最短路径的道路收集几何布局(tra。

  理过程某种物,态变为另一个物理形态此中物质从一个物理状,加热水以发生水蒸气(液体至气体)例如将水冷冻成冰(液体至固体)或。中雷同形态或相位的具有有正式的类比:无序-液体生物系统中无序和有序形态的具有与物理惰性世界,晶体固体有序-。相位之间具有相位变化这些系统在各类形态或。别地特,序概念能够用一个有序参数来量化(例若有序形态的特征在于整个系统标准上的顺,极化的质量)鱼群的陈列/。

  处理方式的正式定义对某问题的可复用,范畴反复呈现凡是在某一。人中范畴中在集群机械,取期望的自组织宏观行为(例如集体决策设想模式描述了若何定义个别法则来获,[20拜见,])21。

  群中被付与的一些属性(例如第三个教训是理解在机械人集,可伸缩性)容错性和,群群主动供给的它们并非是由集,细心的设想而是需要。集群本身没有付与的其他属性若是想要供给自组织机械人,或顺应性(拜见表1)好比鲁棒性、矫捷性,就更大了那么坚苦。具有这些特征的机械人集群人们试图通过理论方式设想,行器方面的实施体例及其具体功能但却忽略了机械人在传感器和执。利用数学模子研究者们曾经,集[70]、集体活动[71]、集体决策[20]和模式构成[72])笼统粒子系统或多级系统在集群中施行分歧业为证了然上述性质(例如聚。而然,器人系统凡是需要完全的反思将理论发觉转化为可工作的机,论模子中没有考虑的特征和束缚这包罗若何引入需要简化的理,标使用范畴的特征以及若何注释目。外此,问题没有获得足够的注重迄今为止另有一些环节,现实使用所必需的但它们倒是摆设。止外部攻击的平安性研究人员需要可以或许防,入并抓住集群的恶意用户使得集群可以或许抵御试图潜。的体例与机械人系统进行互动为了让用户以成心义和轻松,群也是极其主要的若何批示和节制集。度的注释力这也需要高,接管和信赖的集群所必需的也是推进用户和门外汉的。这些问题处理好,群机械人手艺将极大提高集,具体使用的过渡加速其从研究向。

  的未来在不久,能努力于寻求上述开放问题的谜底大大都的集群机械人研究很有可。和手艺程度的提高具有主要意义这一研究对于该范畴进一步成长。而然,能会带来更大的飞跃也有一些研究标的目的可,一些全新的方式或范畴由于他们可能会调研。被认定为开放问题虽然这些范畴已,到充实研究可是尚未得。别致和具有挑战脾气景时研究人员起首会商当面临,来的极端束缚(III-A)例如由小尺寸和大量个别带,)或在其本身组织布局中(III-C)供给的机遇或由异构集群机械人在硬件/行为内(III-B,计和节制机械人集群研究人员该若何设。计机械人集群的新标的目的研究人员接下来考虑设,生物开导例子(III-D)要么仿照响应能力和顺应性的,能力并提高它们的机能(III-E)要么采用机械进修方式为集群供给进修。后最,人类-集群交互(III-G)进一步研究的需要性研究人员会商了机械人集群平安(III-F)和,的摆设至关主要这对现实世界。

  平台外除硬件,已成为研究的次要核心若何节制机械人集群。供给了分歧方式的演讲迄今为止已有浩繁文献,趣的读者能够参阅[42-46])然而这超出了本文的研究范围(感兴。阐发模子来指点机械人的实现[47–49]目上次要的研究标的目的包罗:开辟集群系统的;)优化方式采用(进化,0]、无需计较的节制器[51利用极简节制器(神经收集[5,形态机[53]52]、无限,[54])来指导机械人或是基于语法的节制器;证方式[20开辟设想和验,5]5。将要会商的正如下文,的工程方式仍然是当前研究的前沿定义一个靠得住和无效的机械人集群,在这方面勤奋将来几年仍需。

  初级别组件之间的交互中呈现的过程系统全局级别上的模式仅从系统较。法则只利用当地消息施行指定系统组件间交互的,决定它们的步履[1]而没有任何地方集权。

  仍是层级布局选择去核心化,整合两者或者若何,未获得充实的研究这些问标题问题前尚。标的目的上在这个,提出建立夹杂系统文献[88]起首,布局能够以一种特殊的体例动态呈现此中由自组织过程发生的层级节制。发生的环境雷同这与某些集群中,的构成和单体繁衍个别的呈现[87]此中自组织过程会导致线性条理布局。设备——两头件(middleware)Mathew等人[88]建立了一种根本,组织节制主动切换到层级节制答应集群机械人从纯粹的自,动切换回来然后再自。该方式的可行性[88虽然尝试曾经证了然,9]8,计成集群机械人必需施行的使命的函数若何将答应建立层级节制布局的法则设,及相反的过程)作为使命的函数和情况的函数被激活以及若何实现由纯自组织节制到层级节制的改变(以,需要大量的工作理解这些问题仍。

  后最,来成为切确医学的高新东西成群的纳米机械人可能在未,向干涉成为可能使人体内的靶,胞传送的多疗法[137如微创手术或间接向癌细,8]13。而然,的机械人将使集群机械人方式达到其极限协调大量计较能力和通信能力极其无限,新的概念东西并需要开辟,机械人设备[58]以及微观硬件或生物。

  (即集体、自组织行为的计较模子[5][6])集群机械人作为群体智能的一项使用[3][4],成功的优化算法曾经孵化了数个,以及人群行为的模仿和预测[8]它们被普遍使用于电信行业[7]。而然,快发觉人们很,实现群体行为要在机械人中,法使用于现有的机械人平台上需要的不只仅是将群体智能算。际上实,思虑保守的机械人功能研究人员需要完全从头,和机械人平台本身的设想例如感知、节制、定位。二十年里在过去的,人员取得了严重进展集群机械人的研究,潜能供给了概念证明他们为集群机械人的,天然界中复杂行为是若何呈现的也使得研究人员可以或许更好地舆解。如斯虽然,实践仍然充满挑战将这项研究转化为,员去妥帖处理需要研究人。实上事,前为止到目,了大量的自治自组织机械人只要少数尝试成功地演示,践使用仍是一片空白而集群机械人的实。来成立相关理论和进行实践研究人员需要更多的研究,尝试室带入现实世界从而将集群机械人从。内容组织如下本文的后续,器人范畴的汗青之后在简要引见集群机,阶段学到的次要经验教训研究人员总结了在其开辟,的开放式挑战阐发了次要,前景的研究标的目的的例子并给出了几个立异和有。后最,无法处理的使用场景通过展现单个机械人,多机械人无法处理的使用场景或由保守的集中体例节制的,器人最有可能的使用范畴研究人员提出了集群机,定行业的潜在影响并评估了其对选。

  2005年间2001年至,项目是研究集群机械人合作的第一个国际项目由欧盟委员会赞助的Swarm-bots。项目中在该,物理上相互毗连以构成协作布局)被用于研究一些群体行为一个由多达20个机械人构成的具有自拆卸能力的群(即,笼盖和方针搜刮[25例如集体运输、区域,6]2。移在集群中饰演着分歧的脚色这些机械人可以或许跟着时间推,的自组织团队合作处理复杂使命的例子这是迄今为止唯逐个个由机械人构成。扩展到由三品种型的机械人构成的异构机械人集群中(飞翔机械人、爬升机械人和地面机械人)Swarmanoid项目(2006-2010)将Swarm-bots中的思惟和算法,和检索使命[28从而协作施行搜索,9]2。

  :所有的机械人都是不异的并运转不异的节制软件同构性假设仍然遍及具有于集群机械人的研究中,可替代的它们都是,汗青才能导致某种特定行为的表达只要与(社会)情况交互的个别。体行为的理论模子这个假设发源于群,象以获得易处置性它凡是简化复杂现。实上事,足以注释尝试察看[1]同构系统中的自组织凡是。而然,理和行为上可能极为分歧天然集群的分歧个别在生,响对情况和社会线]而个别的特点会影。前提顺应性及应对外部扰动恢复力的根本异构性被认为是付与群体行为矫捷性、新。于集群机械人这些功能无益,到应有的充实操纵但异构性并没有得。过研究物理异构机械人集群中的协调群体行为前文提及的Swarmanoid 项目通,的标的目的[29]证了然一个可能。同构的机械人进修分歧的行为其他强大的协作形式答应初始,表示受益时当这使群体,与特定使命挂钩这些形式就会。而然,行为的复杂性仍很是具有挑战性处理异构实体所展现的自组织,域带来庞大的前进但无望为整个领。

  考虑的方面是另一个需要,定命量的具有明白定义的使命给定的问题能否能够分化为固,一组机械人完成这些使命能够由,都有特定的脚色并且每个机械人,配线]例如装。如斯若非,方式可能是可行的那么集群机械人。话说换句,机械人系统更好地处理即便某个问题能够用多,需要一个机械人集群这并不必然意味着。中没有预定义的分区若是使命在子使命,色分派给可用的机械人[27或者该使命答应将分歧的角,9]2,合后一种方案则该使命更适。后最,间进行无益的合作若是期望机械人之,可能是准确的选择集群机械人方式。实上事,能够实现机能的超线性增加集群机械人系统通过协作,的开销是合理的[124]从而证明成立协作所必需。

  到的教训是第四个学,心地利用生物灵感东西研究人员必需很是小。灵感在良多环境下都长短常有价值的从群居虫豸或群居物种的行为中获得,器人集群的根本:它们是自组织能够遍及工作的现实的活证据这是由于这些天然集群具有的属性和所表示的行为是肆意机,供了可行的处理方案它们为特定问题提,式挪动、分派使命或做出集体决策例如机械人集群若何以协调的方。方面在这,的贡献从而供给新的指点准绳研究人员要进一步推进生物学,继续为集群机械人从业者供给消息这是由于群体智能机制的新看法将。而然,机械人研究的持久方针研究人员需要铭刻集群,行有用使命的机械人集群即在现实世界中摆设执。此因,现实世界的使用相联系关系若是想将机械人集群与,向的方式来设想机械人集群研究人员就该当以工程为导。行为与特定使用高度相关时所以当机械人集群所需的,感的指点不太显示仅仅依托生物灵。此因,灵感东西抱有太多决心研究人员应避免对生物,设想出格的处理方案并随时预备在需要时。

  方针是出产方式和东西虽然集群机械人的最终,决现实世界的问题成为可能使得摆设机械人集群来解,理解这些方式和东西的机制但目前的核心仍然是科学。下了贵重的经验教训前二十年的研究留,待处理的开放问题也提出了一些有。

  s)涉及大集群机械人的设想、建筑和摆设集群机械人(swarm robotic,同处理问题或者施行使命它们可以或许彼此协调并协。源于天然自组织系统集群机械人的灵感来,交虫豸例如社,或鸟群鱼类,nt collective behavior)[1][2]它们都是基于简单当地交互法则的出现性群体行为(emerge。而言凡是,统的研究中提取工程道理集群机械人从这些天然系,能力的多机械人系统从而建立具有可比。种体例通过这,加鲁棒、更强容错和更高矫捷的系统集群机械人旨在建立比单个机械人更,身行为来顺应情况变化而且可以或许更好地调整自。

  节中在本,器人集群来处理问题或施行使命的一般准测研究人员起首会商了在现实使用中利用机,群机械人的次要潜在使用范畴然后概述了研究人员认为的集。有猜测性本概述具,使用法式还没有呈现这是由于现实世界的。而然,同的使用范畴通过考虑不,机械人方式具体带来的益处并在此中批判性地评估集群,有更多的选择研究人员会。

  种分歧的方式强化进修的两,习的子集机械学,励函数来进修在给定情况中高效施行使命此中软件代办署理通过测验考试最大化其行为的激。型的方式中在基于模,形态和行为映照到下一形态(情况的模子)代办署理被给定或者进修某个函数来将本身当前,晓得下次动作的收益以致于它可以或许提前;型方式中在无模,错来找到好的策略代办署理通过不竭试,助于情况模子而不间接借。

  界的情况中在现实世,战是顺应不测事务的发生集群机械人面临的次要挑,如例,气前提(例如光照、风、降水)妨碍物的具有及不竭变化的大。群机械人前行或施行某些使命所有这些事务都可能妨碍集。前提下在这些,行为并主动改变其策略集群必需配合地调整其。(成群的摇蚊、鱼、羊)中察看到这种群体能力能够在一些群居动物。物种中在这些,导致一些集体属性个别之间的交互会,物理系统的属性雷同(术语见表1)它们与两种宏观形态之间接近相变的,为变化极为敏感[90这导致对少数个别的行,1]9。前提下在这种,应能够传布到集群中的其他成员少数察觉到情况变化的个别的反,对捕食者的攻击等干扰使它们可以或许无效地应。于个别之间特殊的交互形式这种群体顺应能力不只源,对强度的调理[92]并且源于对这些互动相。换能够显著提高他们的自主程度这类特征在集群机械人中的转,前景的研究标的目的这将是一个很有。

  计和节制数以千计的简单机械人集群机械人手艺的方针之一是设,交互发生的集群级此外复杂行为实现由简单的个别行为和大量。的一个方面是开辟数以千计的微型机械人可以或许最大限度阐扬集群机械人将来影响,米以至微米或纳米标准其尺寸能够缩小到毫。狭小的密闭空间(例如如许的集群能够进入,、把持微观物体(例如微流体通道和人体),织为局部医治供给支撑(例如微塑料或单个细胞)以及自组,物输送)靶向药。个具有庞大潜力的范畴的外相迄今为止的研究只触摸到了一。而然,切实可行的处理方案带来了新的挑战缩小机械人尺寸给集群机械人供给。着与宏观标准分歧的物理定律微型机械人和纳米机械人面对,体行为模式需要新的群。机械人并非操纵保守的硬件当前的微型机械人和纳米,机械人[78]、细菌驱动的纳米机械[79而是由活性胶体粒子[77]、软体(生物),0]8,程生物体[81]构成以至是可控的基因工。群体行为将需要新的范式在此类系统中实现和节制,为的能力会被强制限制由于切确节制个别行。外此,体例极具挑战性[82]整合保守的感知和步履,计和节制此类集群的策略研究人员需要从头思虑设。而言总体,全缺乏计较能力以及不靠得住行为的节制方式[51研究应偏重于操纵少数不靠得住传感器、少少或完,2]5。处理方案也是合理的 [83设想硬件以呈现自组织特征的,4]8,种环境下虽然在这,的行为较难获得矫捷和自顺应。些环境下在所有这,间接节制更有价值指导自组织比测验考试。

  遍的指点方针是第一个很是普,无法(无效地)处理问题时只要当单个机械人处理方案,以及它的扩展——机械人集群才该当考虑利用多机械人系统,有的手艺和使用限制这是由于考虑到现,要么太复杂这些系统,求太高要么要。如例,区域的监控不太可行单个机械人对大面积,用多个机械人[119]独一的选择可能是同时使。索一座大型倾圮建筑:即便在这种环境下另一个例子是在搜救场景中利用无人机探,可能施行使命一架无人机也,间和需要飞回来充电但因为无限的飞翔时,不敷无效这可能。环境下在这种,操作[41]能够愈加高效多机械人处理方案通过并行。

  机械人会带来平安问题在尝试室外利用自主。要具备平安性[96]机械人在施行使命时需,收集数据的隐私它们该当包管所,试图获得节制而倡议的外部攻击它们也该当可以或许抵御由恶意用户。群的环境下在机械人集,加严峻[97]这些问题将更。数百个彼此交互的机械人因为某些场景下可能具有,性和数据完整性等问题会被放大诸照实体身份验证、数据秘密。外此,会导致集群的工作中缀[97]少数恶意机械人潜入集群可能。研究仍处于起步阶段机械人集群平安的。何操纵保守的(例如最后的工作是研究如,)平安方式来添加平安层或被完全集成到机械人集群的节制系统布局中加密的Merkle树[98])和不那么保守的(区块链[99]。中连结消息私有化[98][100]这些初期的工作能够处理诸如若何在群,人的干扰[101]若何避免恶意机械,l攻击[99]等问题以及若何匹敌Sybi。这些简单的、概念验证的处理方案研究人员需要进行大量研究来扩展,世界中的大群机械人中以便将它们移植到现实。

  集群机械人研究方面表示凸起在浩繁可用的仿线]在支撑。仿线个机械人进行及时动态仿真成为可能ARGoS通过巧妙的模块化设想和并行。外此,型(e-pucks和kilbots)它还包罗了一些最常用的集群机械人模。ightmare[64]另一个风趣的例子是Fl。)无人机模仿器它是一个(多,行传神的衬着可以或许对情况进,感的研究很是有用对视觉导航和遥。人社区的需求(同时处理模仿-现实差距)的东西为了在经验上提高并开辟一个可以或许响应集群机械,决和改良几个处所研究人员需要解。如例,机械人以及机械人-情况)和非物理(通信)交互的模仿研究人员将需要设法改良感知的模仿以及物理(机械人-。的保真度来摆设模仿该当以分歧,精度之间选择均衡答应用户在速度和。数环境下在大多,不是强制性的高保真仿真,简化从仿真到现实的过渡但它们的可用性将极大地,人上运转普遍的测试支撑在真正的机械。用性也是需要的提高模仿的可,理和节制模仿机械人及其摆设情况的方式来实现这能够通过提高模仿速度以及供给更简单的处。高度可设置装备摆设的模仿该当是,研究社区的需求以响应多元化。时同,与软件内部运转相关的专家学问成立一个新的模仿设置装备摆设无需具有。后最,器人东西和库(例如将模仿框架与尺度机,器人平台的交叉编译很是主要的ROS)进行集成并答应面向机,来测试在模仿中开辟的代码如许就能够用实在的机械人,何更改或调整而不需要任。

  而言总体,来研究挑战之间的关系是毋庸置疑的集群机械人潜在使用范畴的需求与未。此因,使用范畴的好处相关者之间的密符合作研究人员设想了研究人员和来自分歧,例来鞭策新的成长他们能够供给实,器人的研究议程做出贡献并为设定将来几年集群机。

  接节制是复杂的用户对集群的直,么长短常具有挑战性的由于理解集群在做什,发生了大量的交互这是因为集群内部,来说可能很难读懂这对于人类察看者。此因,至关主要可注释性。置于集群的自组织机制中可能的处理方案大概内,集群的当前形态和方针以便当用户可以或许看到。实现)能够收集和可视化来自集群的消息群体行为的接口(可能通过加强现实来,供支撑用户采纳步履的预测(例如而群体行为的模子能够被集成以提,出新的号令)通过向集群发。机械人集群互动的人类所发生的心理影响任何HSI处理方案的设想都需要领会与,式[111][112]以支撑削减压力的互动方,信赖度[113]并提高可用性和。

  交互已被深切研究[102]虽然与单个机械/机械人的,互则斥地了全新的标的目的但与机械人集群的交。集群是自组织的次要的坚苦在于,能够让人类与之成立交换因而没有一个清晰的实体。完成的使命的消息[103][104]为了向集群供给关于要实现的方针或要,HSI)很是有需要人类-集群交互(。用户驱动的机械人在集群中嵌入一些,地节制集群能够间接。][105][107]表白比来几个学科的研究[92,决定集群的全体行为少数忠实代办署理能够。机械人集群的风趣方式雷同的机制代表了节制,引入需要的平安挑战虽然它们可能需要,人节制整个机械人集群以避免少数恶意机械。者或,用户间接节制或把持机械人集群能够由,]或脑电图信号[110]进行节制例如通过手势[108][109。

  工作考虑了水面[38]和水下机械人[39]集群机械人并不局限于地面平台:比来的一些,无人机[40以及成群的,1]4。需要大量的开辟勤奋才能成熟虽然水生手艺和水下手艺还,曾经贸易化可是无人机,代表着一个很是有前途的平台而且在分歧范畴的遥感使用中,集体飞翔的法令框架而遭到障碍目前只是因为缺乏授权自主和。

  之间的间接通信形式一种天然某人工代办署理,作会在情况中留下踪迹此中某代办署理所施行的工,代办署理施行后续工作刺激不异或其他。协调代办署理商所施行的步履通过情况的这种调整确保。se[22]描述它最早由Gras,制方面阐扬了主要感化[23在支撑群体机械人的自组织机,4]2。

  留意的是同样值得,学家之间的合作行之有效虽然生物学家和机械人,往往是单向的但这种合作,弘远于它对生物学的贡献而且机械人学所获取的远。景象是能够改善的研究人员相信这种,正地协助生物学家机械人集群能够真,mbodiment)、感知、步履的结果供给人工的、可控的模子来研究表现(e,[73]所必需的个别认知要求而且供给支撑群体行为[19]。外此,了新的研究标的目的[18][74]-[76]将自主机械人集成到天然集群的可能性供给,刚起头摸索这些都才刚。

  寻求机械人集群的使用全世界的国防机构都在,系统很是吸惹人[127]而且发觉无法被等闲封闭的。统能够支撑匹敌性设置下的操作对外部攻击具有容错能力的系,人是可替代的出格是当机械,度上是可丢弃的而且在某种程。而然,方面在这,避免地处于核心地位人的要素仍然不成。此因,要考虑人在环国防使用需,无效摆设的环节[113]并且先辈的HSI计谋将是。外此,需要达到最高程度平安和防护方面,控或被恶意捕捉[96]以确保机械人集群不会失。其他使用范畴也很主要雷同的方面在民防等,对天然或报酬灾祸这些范畴需要面,图也可以或许处置告急环境的火速机械人需要不依赖外部根本设备或靠得住地。用的门槛很是高这品种型的应,证最高的机能和靠得住性由于机械人集群需要保,害者都获得拯救从而确保所有受。

  机械人范式的同时在成功演示了集群,、以至数千个协作机械人(如图2所示)相关硬件小型化的研究无望摆设数百个。越小、越来越简约机械人变得越来,标准上对其进行设想以至能够测验考试在毫米。而然,进行集成带来的挑战障碍了这一成长历程硬件小型化以及将足够多的传感器套件。几年后仅仅,t[30]kilbo,人尝试的硬件概念呈现了一个支撑1000个机械。 formation)而设想的大型机械人集群的初次演示供给支撑Kilobots的设想初志是向为布局塑性[31](shape,于几项成功的研究后来它又被使用,人的物理情况中进行演示[32-34]使得集群机械人可以或许在具无数百个机械。

  opus中搜刮集群机械人的援用计数src=图 1. 在谷歌学术和Sc,0年后的变化趋向图中显示了200。

  器人使用的其他限制空间使命引入了机,群机械人成功处理这些限制可能由集。空中在太,现代cpu的影响因为宇宙辐射对,仍然无限[128]计较机的计较能力。此因,的机械人比拟与单个更强大,可能是更好的设想选择[69计较能力无限的机械人集群,291,0]13。人不容易修复或替代发射到太空中的机械,人会是一个很好的处理方案努力于冗余系统的集群机械,只会导致群机能的轻细下降集群中单个机械人的毛病。后最,空中在太,器人的协调可能是极其高贵的成立外部根本设备来支撑机,不成能的以至是,以无效处置的典型景象这也是机械人集群可。此因,曾经起头对集群手艺发生了乐趣NASA和ESA等空间机构,动[69]和针对微卫星群节制的研究[130]例如前文提到的Swarmathon竞赛等活。间使用带来的庞大挑战群系统的需要自治是空,靠和持续的人工干涉它要求不克不及依赖可。

  20年里在过去的,所倡议的小范畴成长为全球多个尝试室和研究人员参与的成熟范畴集群机械人曾经从由几个具有明白生物学灵感的研究[9-12]。学术进行搜刮通过利用谷歌,1991岁首年月次呈现集群机械人这个词在,范畴很是无限并且其利用。续到2003年这种环境不断持,用起头大幅增加此后该词的使。样地同,到雷同的增加趋向(如图1所示)利用SCOPUS进行搜刮也会得。据表白这些数,0世纪90年代的一些开创性著作虽然集群机械人研究的根本源自2,000年才起头显著增加但该范畴的研究直到2。

  适的东西有了合,为设想问题供给处理方案集群机械人研究集体需要。实上事,若何处理微观和宏观问题第二个习得的教训就是。的单个机械人(微观层面)进行编程鉴于研究人员只能间接对构成集群,层面)可能是最坚苦的问题若何设想群体行为(宏观。这个问题为领会决,序中重用的设想方式(凡是由生物灵感指点)人们多次测验考试提出通用的、可在分歧使用程,1]以及主动设想方式[50它们包含设想模式[20-2,35,表1中的术语表)65]等(拜见。前而言可是目,功地处理了相对简单或受限的问题这些方式都不敷强大:虽然它们成,复杂性的添加但跟着问题,性也敏捷闪现它们的局限。几个子使命构成一个复杂使命由,可能需要合作这些子使命,和时间限制[66]而且具有彼此依赖性。子使命摆设可行的方式人们可能会测验考试为每个,能够组建的模块从而获得后续。而然,以摆设可用的集群机械人系统这种分而治之的方式并不足,之间很多可能的彼此关系由于这种方式忽略了使命,某种体例被进一步划分和安排而且轻忽了这些使命能够通过,优的处理方案从而导致了次。来设想处理子使命之间复杂彼此关系的方式研究人员需要通过持续集成和优化[55]。外此,要扩大群体规模当前的实践需,过渡到大群体从小群体无缝。大小的前提下对机械人集群进行编程的方式研究人员需要设想在不消考虑集群/问题,设置装备摆设时被确定而这些该当在。后最,很是需要的机能保障是,能的统计目标进行经验评估但目前的实践仅限于对性,决机能这一问题而没有充实化。反相,种方式来供给机能边界研究人员需要设想一,证和查验尺度从而满足验,集群的靠得住性并提高机械人,用范畴(例如空间使用)出格是在有硬性束缚的应。支撑研究界为了具体地,贵重的东西基准是一项,式来权衡研究的进展它可以或许以定量的方,务上挑战研究人员 (例如还能够在越来越复杂的任,杯[68])机械人世界。研究的进展所需的基准类型为了直观申明集群机械人,A Swarmathon[69]竞赛中所做的那样)此刻研究人员考虑如许一个资本收集问题(就像在NAS。目前的实践为了超越,几个维度进行调整:调整情况大小和拓扑研究人员能够设置问题使其复杂性沿着,分歧问题实例的能力以测试所提方案顺应,小来扩展机能并按照群体大;目标数量和分布调整需收集项,发资本的能力以测试协调开;的类型和持久性以及调整项目,识别和检索的能力以测试协作进行,态的情况并顺应动。该当是多变的消息复杂性也,行的多种替代方案来实现这能够通过答应使命执。与问题相关的消息及其动态这将要求集群去收集和聚合,决策来优化使命机能在需要时采纳集体。能的话若是可,束来识别多个彼此联系关系的使命 (例如研究人员应在当时间施行内以可变约,型赐与优先级对某些项类,类型的检索)以支撑对其他。的机能目标来跟踪进度研究人员必需分派清晰,方式之间的比力而且支撑分歧。联系关系(包罗前文会商的硬件和模仿)若是这些基准被提出并与尺度东西相,会构成并兴旺成长一个开放的社区将,并不竭改良已有功效从最佳实践中进修。

  起头一,用了自组织范式集群机械人就采,单的(随机)法则获得的此中群体节制是通过简,间及与情况之间的交互体例这些法则定义了机械人之,的集中节制或全局学问而不需要操纵任何形式。而然,环境下在很多,和节制集群机械人的问题变得更容易集中式或分层式节制形式能够使设想。物社会中在很多动,与自组织并存品级轨制常,层级节制是合理的[86][87]这一现实也可能证明引入某种形式的。的是倒霉,弱(单点毛病)和难以扩展的机制这些方式将需要引入使系统变得脆。

  量(或一般来说当系统组件的数,)发生显著变化时系统资本的数量,常运转的能力系统继续正。

  机械人手艺面对的最大挑战之一设想和实现无效的机械人集群是,的研究标的目的之一也是最有前途,了证明[116]这一说法曾经获得。文章中在这篇,群集群机械人手艺的现状研究人员简要地总结了集,途的研究标的目的和次要的开放问题并确定了研究人员认为最有前。而然,严重前进必然会在该范畴之外取得进展研究人员该当认为集群机械人手艺的。如例,法将有助于处理目前与机械人集群硬件相关的一些问题新材料、生物夹杂处理方案以及储存和传输能量的新方。手艺的成长人工智能,人的cpu一路工作的分布式进修算法的成长出格仅需无限计较资本并可以或许与小型廉价机械,逐步添加其自主性将使机械人群体。保可注释性集群必需确,工智能范畴的一个次要问题这此刻是整个机械人和人。话说换句,—这是确保新智能手艺的可接管性和培育对它们的信赖的主要需求用户将需要可以或许在不细致领会底层机制的环境下理处理策过程—,世界中的摆设缔造前提从而为大规模的现实。范畴获得了更普遍的处理虽然这些问题在人工智能,主实体和它们之间的大量交互而添加但它们的复杂性可能会因大量的自,器人系统的典型特征而这恰好是集群机。

  前为止到目,用就是进化算法(见表1中的术语表)机械进修在集群机械人中独一凸起的应,驱动集群中单个机械人的行为用于开辟简单的神经节制器来。而然,的最新进展机械进修,进修手艺的可用性出格是新的深度,计群体行为的手段既可作为一种设,个机械人供给额外的能力也可为在集体内共享的单。为止目前,群机械人社区的承认这些研究没有获得集。一种设想方式机械进修作为,的问题[44]具有主动设想,来进行在线]以及通过试错,励和协调问题以及情景奖。计较前提方面可能很是苛刻无模子方式(见表1)在,、不成预测的突发事务方面很是强大虽然它们在处置表征群体行为的复杂。型可以或许发生高效设想的个别政策因为进修(当前)群体行为的模,可能会很有价值基于模子的方式。范畴不断在摸索的标的目的两者的连系是目前几个,机械人的研究相关它可能也与集群。体行为之外除了设想群,体机械人供给先辈的能力以维持个别和群体行为机械进修以及更为特殊的深度进修方式可认为个。方面看从这,更无效地注释世界的方式显得很是主要找到能够操纵集群所得的消息来支撑。如例,像分类的最先辈手艺深度收集代表了图,集群相关使用中所需的一项功能而图像分类则是很多与机械人。分歧时间下察看统一场景的具有性通过操纵多个机械人从分歧角度和,算效率的处理方案[94能够供给更精确和更高计,5]9。集群级此外操作为了支撑这种,来定义收集架构和进修范式研究人员还需要大量工作。

  这些要素考虑到,的潜在使用范畴进行严酷评估研究人员该当对集群机械人,法能够具体带来的效益以确定集群机械人方。如例,不按照群体进行组织虽然办事机械人凡是,分派在必然程度上是去核心化的和自组织的可是每个机械人所施行的协调勾当和使命。如斯虽然,机械人之间的协调或协作特定使命本身可能不需要。似地类,定能从集群机械人研究的去核心化协调策略中获益物流(如大型仓库)、主动驾驶汽车和智能挪动肯。而然,将来的集群机械人研究这些使用不太可能指点。反相,布局化、不成预测的情况(凡是笼盖的范畴很广)切确农业或根本设备查抄与维护等使用需要处置非,的并行化和协作中获益它们能够从机械人集群。如例,需要机械人之间的消息共享晚期识别农田内疾病的迸发,视角中构成全局模式以便从耦合的局部,好的计谋规划[95支撑恰当的响应和更,5]12。似地类,别缺陷需要高效的搜刮能力在大型根本设备中靠得住地识,的体例最佳实现[126]而这种能力能够通过群集。静态情况中(农田或要查抄的根本设备)切确农业和根本设备查抄都发生在某种。如斯虽然,调的操作)和精度(归功于群体感知的自顺应策略去核心化和自组织能够提高效率(归功于并行和协,偶发事务作出反映它答应对感知到的,的使命打算并确定最优,关特征被细心察看的可能性)从而最大限度地提高所有相。方面在这,机械人之间的消息融合来理解复杂特征的策略将来的研究该当聚焦于通过多种可能异构的。外此,和操作能力(例如收成果实或维护)研究人员需要设想有针对性的干涉,勾当供给新的机遇为去核心化的合作。

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