ПРОГРАМНО-АПАРАТНА РЕАЛІЗАЦІЯ СИНХРОНІЗОВАНОЇ ВЗАЄМОДІЇ ГРУПОВИХ РОБОТІВ
24.04.2019
ПРОГРАМНО-АПАРАТНА РЕАЛІЗАЦІЯ СИНХРОНІЗОВАНОЇ ВЗАЄМОДІЇ ГРУПОВИХ РОБОТІВ
Групова взаємодія роботів стає все більш перспективним напрямком сучасної робототехніки. На власному досвіді ми хочемо перевірити функціональні можливості цієї технології, тому, спираючись на зібрану інформацію, створюємо свою групу колісних роботів в якості бази на платформі Arduino для тестування ройових алгоритмів. В ході дослідження ми будемо проектувати різнопланові модельні задачі з використанням авторського підходу додаткової синхронізації.
Усі дослідження основних функцій та властивостей групової робототехнічної взаємодії ми проводимо на базі власної тестової платформи.
При створенні її конструкції спирались на такі міркування:
· 1. роботи повинні “відчувати” присутність інших роботів а також приблизну відстань до сусідів;
· 2. роботи повинні переміщуватись по площині з довільною кількістю непротяжних перешкод;
· 3. роботи повинні мати можливість утворювати в колонії окремі підгрупи;
· 4. роботи повинні відрізняти учасників своїх та чужих кластерів;
· 5. роботи повинні постійно прагнути самоорганізуватись у певні геометричні структури (лінійна послідовність типу “змійки”, “коло”, “тригональна решітка” тощо);
· 6. роботи повинні мати можливість скоригувати свої дії та повернутись до системної взаємодії в разі виникнення перешкод з боку середовища, в якому вони працюють (наприклад відблиску світла від поверхонь сторонніх предметів).
Для реалізації апаратної частини проекту ми намагались використати найбільш прості та доступні компоненти, які зручно поєднувати з платформою Arduino.
Наведемо перелік основних компонентів однієї одиниці системи:
1. плата Arduino UNO R3 MEGA328P CH340G, micro USB;
2. два покрокових двигуни 28BYJ-48 (із можливістю функціонування без додаткових пристроїв – драйверів);
3. два датчики рівня освітленості GY-302 BH1750 (оптимальні з точки зору точності та чутливості пристрої);
4. портативна універсальна батарея enrico fermi 2500mah (максимально компактний спосіб живлення з можливістю створення додаткового підсвічення);
5. світлодіоди;
6. прозорі плафони для світлодіодів для створення розсіяного світла;
7. основа для кріплення компонентів (корпус іграшкової машинки).
Датчики рівня освітленості встановлені по обидва боки робота за аналогією зорових органів чуття людини.
Алгоритм реакції робота на світло складається із наступних кроків:
1. отримання показів з двох датчиків рівня освітленості;
2. поворот на певну кількість мікрокроків у напрямку більшої яскравості;
3. рух вперед або назад в залежності від числового значення рівня освітленості.
Величина рівня освітленості (яскравості) джерела світла обернено пропорційна відстані до нього, отже, при досягненні нею певного порогового значення робот має від’їжджати назад щоб уникнути зіткнення.
Міжагентна взаємодія групових роботів базується на відтворенні самоорганізаційних особливостей своїх біологічних прототипів, якими стають різноманітні природні угрупування.
На нашу думку, існуючий підхід, орієнтований на роботу з аналоговими системами, можна розширити шляхом використання такої фундаментальної властивості цифрових систем як дискретність механізмів роботи, що дозволить впровадити ряд функцій, властивих саме груповій робототехніці.
Кожний агент цифрової робототехнічної системи сприймає світ “уривками”, аналізуючи параметри навколишнього середовища із певною періодичністю (в нашій роботі таким параметром є рівень освітленості).
Організаційні ефекти та модельні задачі створеної нами робототехнічної системи базуються на принципах синхронізованої міжагентної взаємодії, яка в свою чергу спирається на дискретність світлових імпульсів (переривчасте сприйняття зовнішніх сигналів).
На базі створеної тестової платформи ми провели власні демонстраційні експерименти, які, на нашу думку, допоможуть розкрити перспективи використання групових робототехнічних систем із додатковою синхронізацією.
Описи всіх ключових експериментальних досліджень представлені в цьому розділі, а відео зйомку проведених дослідів можна подивитись за посиланням:
https://www.youtube.com/channel/UC9wl8WVKTry0XBkQTBH7afg
Після проведення перших експериментів ми зрозуміли, що тестування алгоритмів на базі створеної тестової платформи в реальних умовах потребує багато часу (створення прошивки + процес прошивки всіх роботів + відлагодження системи + тестування). Саме тому для їх перевірки зручно використовувати віртуальні моделі агентів, функціональні можливості поведінки яких відповідають реальним роботам, а потім вносити відповідні зміни до скетчу. В такому випадку зникає необхідність тривалого очікування результатів та багаторазової зміни прошивок і підвищується швидкість експерименту. Комп’ютерне моделювання об’ємних задач дозволяє швидко виявити існуючі проблеми, передбачити результат взаємодії та перенести правила окремого кластера на багатоагентну систему. Вперше ми скористались можливостями моделювання для виявлення проблем групового оточення та порівняння фаз стандартної взаємодії агентів із фазами взаємодії з використанням алгоритму випадкових блукань. Цей підхід використовувався і далі для імітації опосередкованого пошуку “цілі”, яка знаходиться в зоні непрямої видимості роботів. Для створення додатку було використано середовище візуального програмування Embarcadero Rad Studio XE10.
Використовуючи платформу Arduino в якості апаратного конструктора, ми створили групу колісних роботів, зв’язок між якими здійснюється за допомогою аналізу інтенсивності випромінювання встановлених на них джерел світла з періодичними імпульсами певної тривалості. Міжагентна взаємодія роботів базується на запропонованому принципі додаткової синхронізації кластеризованих систем, яка визначає фази “поглядів” та “спалахів” окремих агентів. Для демонстрації функціональних можливостей системи ми провели і задокументували ряд експериментів, присвячених дослідженню самоорганізаційних ефектів, виявленню та оточенню розсинхронізованих елементів і “цілей”, опосередкованому пошуку об’єктів. Досліджена поведінка роботів дала можливість використати знайдені/ виявлені особливості реальних систем і перенести їх з окремих кластерів на великокількісні некластеризовані системи за допомогою комп’ютерного моделювання.
Назва конкурсу: Конкурс «Роботи з нами, роботи навколо нас»
ПІБ Співвиконавців: Білогородський Юрій Сергійович
ПІБ конкурсанта: Барілко Вєста Євгеніївна
Країна: Україна
Область: Черкаська область
Назва НЗ: Черкаська спеціалізована школа l-lll ступенів №17 Черкаської міської ради Черкаської області Асоційована школа ЮНЕСКО
Учасник фіналу: Так
Файл статті (pdf): Завантажити
