هماهنگی رفتارهای پیچیده بین صدها نفر از روبات

در یکی از صحنه های به یاد ماندنی از سال 2002 فیلم های پرفروش, فیلم گزارش اقلیت تام کروز مجبور است برای پنهان کردن از گروهی از عنکبوت مانند روبات تمیز کاری قوی مجتمع آپارتمانی. در حالی که اکثر بینندگان به احتمال زیاد transfixed کوچک, فرز, bloodhound, تعویض, یک مهندس کامپیوتر ممکن است تعجب به جای خود زیبا کنترل سیستم.

در یک ساختمان چند داستان بلند با اتاق های متعدد و صدها موانع و هزاران نفر از مکان های بازرسی چند ده روبات حرکت به عنوان یک واحد منسجم. آنها را در یک جستجوی الگو به طور کامل بررسی تمام ساختمان در حالی که به طور همزمان تقسیم وظایف به طوری که به اتلاف زمان دو برابر شدن به عقب در مسیر خود را و یا چک کردن اماکن دیگر روبات ها در حال حاضر بازدید کردند.

چنین انسجام خواهد بود دشوار است برای انسان, کنترل, برای رسیدن به, اجازه دهید به تنهایی و به صورت مصنوعی کنترل برای محاسبه در زمان واقعی است.

"اگر یک مشکل کنترل دارای سه یا چهار روبات که در جهان زندگی می کنند تنها با تعداد انگشت شماری از اتاق, و اگر این کار مشترک مشخص شده است با منطق ساده قوانین وجود دارد دولت از هنر ابزار است که می تواند محاسبه یک راه حل بهینه را برآورده وظیفه در یک زمان معقولی" گفت: Michael M. Zavlanos مری Milus Yoh و هارولد L. Yoh جونیور دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک و علم مواد در دانشگاه دوک است.

"و اگر شما نمی مراقبت در مورد بهترین راه حل ممکن است شما می توانید حل برای چند اتاق و بیشتر کارهای پیچیده در عرض چند دقیقه اما هنوز هم تنها یک دوجین روبات تاپ" Zavlanos گفت. "بیش از هر که و زمان الگوریتم قادر به غلبه بر این حجم گسترده از امکانات در پیدا کردن یک راه حل است."

در یک مقاله جدید آنلاین منتشر شده در 29 آوریل در مجله بین المللی تحقیقات رباتیک, Zavlanos و اخیر خود دکترا دانشجو, Yiannis Kantaros که در حال حاضر یک پژوهشگر فوق دکترا در دانشگاه پنسیلوانیا, پیشنهاد یک رویکرد جدید به این چالش به نام STyLuS* برای مقیاس مطلوب زمانی منطق سنتز است که می تواند به حل مشکلات انبوه بزرگتر از آنچه در زمان الگوریتم می تواند اداره کند با صدها نفر از روبات ها دهها هزار نفر از اتاق ها و بسیار کارهای پیچیده در کسری از زمان.

برای درک اساس رویکرد جدید باید اول درک خطی زمانی منطقی است که تقریبا به عنوان ترسناک به عنوان آن را برای تلفن های موبایل. فرض کنید شما می خواهید به برنامه یک تعداد انگشت شماری از ربات برای جمع آوری ایمیل از یک محله و تحویل آن به اداره پست در هر روز است. خطی زمانی منطق راه نوشتن دستورات مورد نیاز برای تکمیل این کار است.

برای مثال این دستورات ممکن است شامل هر خانه در نظم ترتیبی بازگشت به اداره پست و سپس صبر کنید برای کسی که برای بازیابی داده های جمع آوری شده ایمیل قبل از تنظیم دوباره. در حالی که این ممکن است آسان به می گویند و در زبان انگلیسی آن را مشکل تر برای بیان ریاضی. خطی منطق زمانی می توانید این کار را با استفاده از خود کاراکتر که اگر چه ممکن است مانند نگاه به کلینگون مشترک ناظر آنها بسیار مفید برای ابراز پیچیده کنترل مشکلات.

"اصطلاح خطی استفاده می شود زیرا نقاط در زمان منحصر به فرد جانشین بر اساس گسسته مدل خطی از زمان زمانی و مکانی اشاره به استفاده از اپراتورها مانند تا بعد در نهایت و همیشه" گفت: Kantaros. "با استفاده از این فرمالیسم ریاضی ما می توانیم ساخت مجتمع دستورات مانند 'بازدید از تمام خانه ها جز خانه دو' 'بازدید از خانه های سه و چهار در نظم ترتیبی' و 'صبر کنید تا زمانی که شما بوده ام به خانه یکی قبل از رفتن به خانه پنج.' "

برای پیدا کردن ربات کنترل کننده است که برآوردن چنین کارهای پیچیده محل هر یک ربات نقشه برداری به گسسته و داده های نقطه ای به نام "گره." سپس از هر گره وجود چندین گره های دیگر هستند که بالقوه گام بعدی برای ربات.

یک کنترل کننده سنتی جستجو از طریق هر یک از این گره ها و مسیرهای بالقوه را بین آنها قبل از اینکه بدانند بهترین راه برای حرکت به راه خود را از طریق. اما به عنوان تعدادی از روبات ها و مکان های به بازدید افزایش می دهد و به عنوان منطق قوانین به دنبال تبدیل شدن به پیچیده تر راه حل فضا می شود فوق العاده بزرگ در مقدار بسیار کوتاه از زمان.

یک مشکل ساده با پنج روبات در جهان زندگی می کنند با ده خانه می تواند حاوی میلیون ها گره گرفتن همه ممکن است ربات مکان و رفتارها نسبت به دستیابی به وظیفه. این نیاز به مقدار زیادی از حافظه برای ذخیره و پردازش قدرت به جستجو از طریق.

به دامن در اطراف این موضوع محققان پیشنهاد یک روش جدید است که به جای ساخت این فوق العاده بزرگ نمودار در تمامیت خود را به جای ایجاد کوچکتر تقریب با یک ساختار درختی است. در هر مرحله از مراحل الگوریتم به طور تصادفی انتخاب یک گره از بزرگ نمودار می افزاید: این به درخت و rewires موجود در مسیر بین گره ها در درخت به پیدا کردن اطلاعات بیشتر در مسیر مستقیم از آغاز تا پایان.

"این به این معنی است که به عنوان الگوریتم پیشرفت این درخت که ما تدریجی رشد می شود نزدیک تر و نزدیک تر به واقعی نمودار که ما در واقع هرگز, ساخت," گفت: Kantaros. "از آنجا که ما افزایشی گراف است که بسیار کوچکتر از آن آسان است برای ذخیره در حافظه است. علاوه بر این پس از این گراف یک درخت گراف جستجو که در غیر این صورت دارای نمایی پیچیدگی می شود بسیار آسان است زیرا در حال حاضر ما فقط نیاز به ردیابی دنباله ای از گره پدر و مادر به ریشه برای پیدا کردن مسیر مورد نظر."

آن بوده است مدت طولانی پذیرفته شده است که درختان در حال رشد می تواند استفاده شود به جستجو در فضای راه حل های ممکن برای این نوع از ربات برای کنترل مشکلات. اما در این مقاله Zavlanos و Kantaros نشان می دهد که آنها می توانید این کار را با اجرای دو کلاهبرداری های هوشمندانه. اول الگوریتم انتخاب گره بعدی به اضافه کردن بر اساس اطلاعات در مورد کار در دست است که اجازه می دهد تا درخت به سرعت تقریبی یک راه حل خوب برای این مشکل. دوم اینکه حتی اگر الگوریتم رشد می کند و درختان آن را هنوز هم می تواند تشخیص چرخه در اصل نمودار فضایی که گرفتن راه حل برای چنین زمانی وظایف منطق.

محققان نشان می دهد که این روش همیشه پیدا کردن یک جواب اگر یکی وجود دارد, و آن را همیشه در نهایت پیدا کردن یکی از بهترین ممکن است. آنها همچنین نشان می دهد که این روش می تواند می رسند که جواب نمایی سریع. کار با یک مشکل 10 روبات جستجو از طریق 50-توسط-50 شبکه فضا-- 250 خانه را انتخاب کنید تا ایمیل -- جاری دولت از هنر الگوریتم را در 30 دقیقه برای پیدا کردن یک راه حل مناسب.

STyLuS* آن را در حدود 20 ثانیه است.

"ما حتی با حل مشکلات با 200 روبات است که زندگی در 100-توسط-100 شبکه جهانی است که بیش از حد بزرگ برای امروز الگوریتم برای دسته" گفت: Zavlanos. "در حالی که وجود دارد در حال حاضر نیست هر سیستم که با استفاده از 200 روبات به انجام چیزی شبیه به تحویل بسته وجود دارد ممکن است در آینده است. و آنها نیاز به یک چارچوب کنترل مانند قلم* قادر به ارائه آنها را در حالی که رضایت بخش منطق پیچیده مبتنی بر قوانین است."

###

این پژوهش با حمایت نیروی هوایی از تحقیقات علمی (FA9550?19?1?0169) و دفتر تحقیقات نیروی دریایی (N00014?18?1?2374).

استناد: "قلم*: یک زمانی منطق کنترل بهینه سنتز الگوریتم برای مقیاس بزرگ Multi-Robot Systems" Yiannis Kantaros, Michael M Zavlanos. این مجله بین المللی رباتیک Research, vol. 39 ، 7, pp. 812-836 ژوئن 2020. DOI: 10.1177/0278364920913922