Групповые роботы предназначены для изучения распределенных робототехнических систем, состоящих из большого количества независимых и автономных роботов.
Инженеры компании Swarm разрабатывают эти системы с учетом трех целей:
- Масштабируемость. Способность системы поддерживать функционирование для растущего числа компонентов;
- Гибкость. Способность системы адаптироваться к неизвестным или изменяющимся условиям окружающей среды; и
- Надежность. Способность системы подвергаться постепенному снижению производительности из-за потери, или неисправности одного или нескольких ее компонентов.
Отсутствие централизованных полномочий, регулирующих функционирование робота с роботом, является одной из фундаментальных основ, позволяющих инженерам разрабатывать роботизированные системы, способные выполнять эти задачи.
Однако, если центральный орган отсутствует, группа нуждается в механизмах, позволяющих его многочисленным членам коллективно принимать решения.
Коллективное решение - это результат процесса, распределенного между коллективом агентов, который заставляет коллектив сделать выбор, который после его принятия больше не может быть прослежен ни к одному из его индивидуальных агентов.
Коллективные решения широко распространены среди групповых животных. Примеры коллективных решений включают способы, с помощью которых эусоциальные насекомые, такие как муравьи и пчелы, исследуют большую часть своей среды обитания, определяют несколько мест-кандидатов и в конечном итоге выбирают один, возможно оптимальный вариант переезда и создания нового дома.
В этом примере, коллективное решение представлено консенсусом, разделяемым всеми (или подавляющим большинством) членами коллектива.
Однако не все коллективные процессы принятия решений приводят к консенсусу между членами коллектива. Некоторые из этих процессов требуют, чтобы коллектив распределял своих членов на ряд различных задач таким образом, чтобы оптимизировать производительность.
В контексте проектирования роботизированных систем, выделено два сценария как различные категории коллективных решений.
Достижение консенсуса включает в себя проблемы, требующие от членов группы согласия на единственный выбор. Вместо этого, распределение задач включает в себя задачи, требующие от членов группы распределить себя таким образом, чтобы разбить большую проблему на набор более мелких задач.
Главное внимание стоит уделить проблемам достижения консенсуса. Этот тип проблем можно разделить на две подкатегории:
- Проблемы, когда группе необходимо выбрать одну из дискретного и конечного набора альтернатив
- Проблемы, когда количество вариантов бесчисленно и выбор является непрерывным
Важнейшая из проблем представляет собой любую проблему принятия решений, при которой группа роботов должна сделать выбор в пользу одного варианта из ограниченного набора различных альтернатив. Роботы в группе имеют (или со временем приобретают) мнение о том, какой из доступных вариантов является наиболее выгодным.
Это мнение обычно меняется с течением времени по мере того, как роботы собирают и обрабатывают информацию о проблеме.
Коллективное решение представлено подавляющим большинством роботов, разделяющих одно и то же мнение. Для поддержания сплоченности группы особенно важно, чтобы ее часть, согласная с одним и тем же вариантом, была как можно больше.
В целом, различные варианты дают группе различные преимущества. Поэтому каждый вариант характеризуется двумя характеристиками: качеством и стоимостью.
Медоносные пчелы отдают предпочтение участкам с определенным объемом, воздействием солнца и высотой от земли. Эти атрибуты, возможно, взвешенные по-разному, способствуют восприятию качества места отдельными пчелами. Расстояние до нового гнезда также влияет на решение стаи, так как места, которые невозможно найти у отдельных пчел, и места, расположенные слишком близко к первоначальному гнезду, могут привести к истощению между различными стаями.
Что касается робототехники, то качество и стоимость каждого варианта зависит от конкретного целевого сценария и выбора проектировщика.
Кроме того, в зависимости от того, каким образом качество и стоимость взаимодействуют друг с другом, определение оптимального решения проблемы может различаться.
Комбинации этих свойств определяют пять возможных вариантов оптимального решения задачи с различными концепциями того, какой вариант является наилучшим:
- Все варианты имеют одинаковое качество, одинаковую стоимость и, следовательно, эквивалентны.
- Все варианты одинакового качества, но по крайней мере два из них имеют разную стоимость, в этом случае предпочтение должен отдавать один вариант с минимальной стоимостью
- Все варианты имеют одинаковую стоимость, но, по крайней мере, два из них имеют разное качество, и в этом случае предпочтение должно отдаваться одному из вариантов с максимальным качеством
- Варианты могут иметь разное качество и различную стоимость, но взаимодействие между этими характеристиками является синергетическим, и наилучший вариант имеет максимальное качество и минимальную стоимость
Качество и стоимость вариантов могут отличаться, но на этот раз их взаимодействие является антагонистическим, поэтому нет уникального варианта, которому можно отдавать предпочтение, а есть компромисс между различными вариантами дизайна.
Способность коллективно принимать решения является фундаментальной опорой для развития автономных групповых роботов. Преимущество такого подхода заключается в том, что, как только будет разработана конкретная стратегия решения наиболее актуальной проблемы, ее можно будет легко реализовать заново для решения другого сценария проблемы.
Простые коллективные стратегии принятия решений могут быть впоследствии расширены для включения в них более совершенных механизмов и повышения эффективности и гибкости.
