robotica de enjambre

IntroducciónPrincipales modelos

Robótica de enjambre

ROBÓTICA DE ENJAMBREIntroducción a la Robótica Inteligente

Universidad Politécnica de Madrid

Manuel Castillo Cagigal

Estudiante de DoctoradoTEAT - ETSIT - UPM

www.robolabo.etsit.upm.es/∼manuel([email protected])

8 de Abril de 2015

Manuel Castillo Cagigal Robótica de Enjambre



Indice1 Introducción

Robótica ColectivaInteligencia de Enjambre

2 Principales modelosTrazado de caminosDivisión del trabajoFormaciones y AgrupacionesConstrucción de nidosTareas cooperativas

3 Robótica de enjambreCoordinaciónCooperaciónDeliberaciónARGoS





1 IntroducciónRobótica ColectivaInteligencia de Enjambre







Robótica Colectiva

¿Qué es la robótica colectiva?





Robótica Colectiva

La robótica se considera colectiva cuando dos o másrobots se encuentran desarrollando una tarea conjunta





Robótica Colectiva

Detrás de esta simple definición se esconde un problemamás complejo

¿Cómo se organiza cada robot?¿Cual debe ser su función dentro del grupo?





Robótica Colectiva

¿Organización centralizada?

En un sistema centralizado, un agente (el líder ) seencarga de planificar la tarea global y ordenar diferentesfunciones al resto del equipo





Robótica Colectiva

¿Organización descentralizada?En un sistema descentralizado, cada agente decide supropio comportamiento de una forma autónoma acordecon la información que obtiene localmente





Robótica Colectiva

¿Cómo diseñar un sistema descentralizado?

Inspirarnos en la naturaleza

Inteligencia de Enjambre






¿Qué es la inteligencia de enjambre?

Cualquier intento de diseñar algoritmos o soluciones aproblemas distribuidos inspirados en el comportamientocoletivo de colonias de insectos sociales y otrassociedades animales

Bonabeau, Dorigo & Theraulaz. Swarm Intelligence: From Natural to Artificial Systems.

1999





Auto-Organización

¿Cómo se coordinan?

Auto-organizaciónEmerge un comportamiento a nivel global como resultadode interacciones entre componentes de nivel inferiorLas reglas que especifican las interacciones en el nivelinferior se basan exclusivamente en información local, sinque exista la referencia a un patrón globalEs una propiedad emergente en vez de una propiedadimpuesta por un agente externo





Auto-Organización

Múltiples interaccionesAleatoriedadRealimentación positiva

ReclutamientoRealimentación negativa

Limitar el número detrabajadores





Comunicación

¿Hay Comunicación?

La comunicación es necesaria2 tipos:

Directa: Antenas, trofalaxis, contacto visual, substanciasquímicas, etcIndirecta: Comunicación a través del entorno

Estigmergia





Estigmergia







La inteligencia de enjambre es una técnica de la inteligenciaartificial basado en el estudio de comportamientos colectivosen sistemas descentralizados y auto-organizados

En la inteligencia de enjambre los individuos son simples einteraccionan localmente entre ellos y con el entorno.

Las interacciones locales producen comportamientosglobales emergentes

Encontramos comportamientos similares en la naturaleza:colonias de hormigas, movimiento de pájaros, bancos de peces,pastoreo de animales, etc







La inteligencia de enjambre estudia grupos de muchosindividuos que:

son relativamente simples (comparados con la tarea quequieren resolver)se coordinan mediante un control distribuidosensan localmente el entornose pueden comunicar directamente sólo con sus vecinosse pueden comunicar indirectamente a través del entornotienen un comportamiento estocásticoexplotan mecanismos de realimentación positiva y negativa






Distinguir entre:Inteligencia de enjambre científicaInteligencia de enjambre ingenieril






Distinguir entre:Inteligencia de enjambre científicase referie al estudio de enjambres naturales






Distinguir entre:Inteligencia de enjambre ingenierilse refiere al diseño e implementación de enjambresartificiales






La inteligencia de enjambre ingenieril se inspira en losestudios de la Inteligencia de enjambre científica pararesolver problemas colectivos





Inspiración vs. Imitación




Trazado de caminosDivisión del trabajoFormaciones y AgrupacionesConstrucción de nidosTareas cooperativas








Diferentes tipos de modelos estudian comportamientosconcretos:

Trazado de caminos - Recolección de alimentoDivisión del trabajoFormaciones y AgrupacionesConstrucción de nidosTareas cooperativas





Trazado de caminos

Exploración de grandes distanciasUso de compuestos químicos: Feromonas





Un primer experimento

Goss et. al. Self-Organized Shortcuts in the Argentine Ant. 1989





Un primer experimento

PA =(k + A)n

(k + A)n + (k + B)n = 1− PB





Grandes redes





División del trabajo

Distribución de individuos entre tareasAdaptación del enjambre→ elasticidad de los individuos

Principales modelos→ Umbral de Respuesta





Umbral de Respuesta

La probabilidad de actuar dependedel estímulo y el umbral de unindividuo:Pactuar ,i = Ti(sk ,Θi)La acción realiza unarealimentación negativa:sk+1 = sk + δ − Nactivos





Especialización

Diferentes tipos:MorfológicoEdadSituación y/o experiencia





Formaciones y Agrupaciones





Formaciones

Diferentes tipos de formaciones





Agrupaciones





Contrucción de nidos

Estructuras muy complejasCampo poco conocidoEntorno y relación entreindividuos





Construcción de nidos





Tareas cooperativas

Multiples individuos hacen la misma tarea




CoordinaciónCooperaciónDeliberaciónARGoS








Enfoques

CoordinaciónCooperaciónDeliberación





Coordinación

La organización apropiada en espacio y tiempo de lastareas requeridas para complementar el comportamientocolectivo deseado

Construcción de nidos Movimiento colectivo





Movimiento colectivo

Ejemplo de coordinación: Movimiento Colectivo

Usos:Transporte colectivoExploración

Posibles implementaciones:ContactoSin contacto






Movimiento en paralelo






Movimiento en conjunto






Movimientos complejos:

Huir de un cazador





Cooperación

La organización para conseguir una tarea que no pudieraser conseguida por un único individuo





Cooperación

Ijspeert et al, Collaboration through the explotation of local Interations in autonomous

collective robotics: The stick pulling experiment, 2001





Cooperación





Cooperación

Ayuda para subir escalones





Cooperación

Ayuda para evitar obstáculos





Transporte coordinado

Transporte de objetos





Transporte coordinado

Transporte de personas





Reparación

Reparación¿Cómo saber que un miembro del grupo tiene unproblema?¿Cómo repararlo?

Inspiración en las luciérnagasCada robot emite un flash como si fuese un latido delcorazónSi un robot se extropea deja de latirle el corazón

Christensen et. al, Fault Detection in Autonomous Robots Based on Fault Injection andLearning, 2008

Christensen et. al, From Fireflies to Fault Tolerant Swarms of Robots, 2009





Reparación

Detección de fallos





Deliberación

La decisión colectiva de una opción entre otras delentorno





Trazado de caminos

Garnier et. al, Alice in Pheromone Land: An Experimental Setup for the Study ofAnt-like Robots, 2007





Trazado de caminos

PREY

NEST

NEST

PREY

Los individuos no conocen lasposiciones del nido ni del alimentoAcabarán encontrando el nido o elalimentoUna vez encontrado tendrán quebuscar el otroTendrán que repetir este camino¡No hay feromonas en los robots!





Trazado de caminos

NEST

PREY

NEST

PREY

Los individuos no conocen lasposiciones del nido ni del alimento

Acabarán encontrando el nido o elalimentoUna vez encontrado tendrán quebuscar el otroTendrán que repetir este camino¡No hay feromonas en los robots!





Trazado de caminos

NEST

PREY

Los individuos no conocen lasposiciones del nido ni del alimentoAcabarán encontrando el nido o elalimento

Una vez encontrado tendrán quebuscar el otroTendrán que repetir este camino¡No hay feromonas en los robots!





Trazado de caminos

NEST

PREY

Los individuos no conocen lasposiciones del nido ni del alimentoAcabarán encontrando el nido o elalimentoUna vez encontrado tendrán quebuscar el otro

Tendrán que repetir este camino¡No hay feromonas en los robots!





Trazado de caminos

NEST

PREY

Los individuos no conocen lasposiciones del nido ni del alimentoAcabarán encontrando el nido o elalimentoUna vez encontrado tendrán quebuscar el otroTendrán que repetir este camino

¡No hay feromonas en los robots!





Trazado de caminos

NEST

PREY

Los individuos no conocen lasposiciones del nido ni del alimentoAcabarán encontrando el nido o elalimentoUna vez encontrado tendrán quebuscar el otroTendrán que repetir este camino¡No hay feromonas en los robots!





Trazado de caminos

Almacenan la posición relativa del nido ydel alimentoEn cada momento dos vectores: ~xnido y~xalimento

Intentan rehacer el caminoDemasiada imprecisión: problema deodometría





Trazado de caminos

Error mayor conforme más distanciaCompartir conocimientoDar prioridad a los más cercanos





Trazado de caminos

PREY NEST

PREY

AREA

INIT

Misma lógica permite encontrar caminosmás cortos





Agregación

Agregación de cucarachasEn un entorno homogéneo las cucarachas se juntan encualquier sitio.Preferiblemente en zonas oscurasSi hay varias zonas, se juntan en un sola

Jeanson et. al. Self-organized aggregation in cockroaches. 2005





Agregación





Formación de cadenas

Formación de cadenas con contacto





Formación de cadenas

Formación de cadenas sin contacto





SwarmanoidEl simulador ARGoS nace del proyecto Swarmanoid:

Objetivo: Diseño, implementación y control de una nuevageneración de robots distribuidos.

Robost heterogéneos y autónomos

eye-bots, hand-bots y footbots


http://iridia.ulb.ac.be/argos/

http://www.swarmanoid.org/




ARGoS

ARGoS: Simulador de software libre orientado a la simulaciónde grandes cantidades de robots heterogéneos.

Arquitectura modularArquitectura multi-hebraMúltiples motores físicosPrecisión configurable







ARGoS

Ejemplo difusión con 10 robotsRobots evitan obstáculos mediante choques elásticos.





ARGoS

Ejemplo de FlockingRobots mantienen una formación y se aproximan a una fuente

de luz.





ARGoS

Ejemplo de ForagingRobots buscan comida por el entorno y vuelven al nido

mediante phototaxis.





Gracias

¡GRACIAS!


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