[论文解读] Three Cases of Connectivity and Global Information Transfer in Robot Swarms

Serge Kernbach|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2011

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 30被引用 4

一句话总结

本文提出三种基于Jasmine平台微纳机器人在机器人集群中实现全局信息传递的机制：局部连接、通信通道和反馈连接。这些机制实现了可扩展的、去中心化的协调，通信开销极低，展示了不同信息传递策略如何导致集群能力的定性差异以及共同知识水平的差异。

ABSTRACT

In this work we consider three different cases of robot-robot interactions and resulting global information transfer in robot swarms. These mechanisms define cooperative properties of the system and can be used for designing collective behavior. These three cases are demonstrated and discussed based on experiments in a swarm of microrobots "Jasmine".

研究动机与目标

• 研究在硬件和通信约束条件下，机器人集群中去中心化的全局信息传递机制。
• 解决在有限通信范围和低带宽的机器人-机器人交互下，如何在集群中传播环境状态和内部状态信息的挑战。
• 识别并展示能够实现微纳机器人系统中可扩展、协调的集体行为的不同通信机制。
• 探讨不同信息传递策略如何影响集群中共同知识和集体能力的涌现。
• 评估功能多样性与连接类型对集群整体性能和协调机制的影响。

提出的方法

• 使用了一组开源、开放硬件的微纳机器人Jasmine，每台机器人配备双颗Atmel AVR微控制器，内存有限（2KB RAM，1KB EEPROM）。
• 通过基于I2C的通信实现局部机器人-机器人交互，采用10位数据包ID和8位内容，最大限度降低开销。
• 开发了通信通道机制，机器人通过形成线性链路来在集群中传播消息，实现6–15台机器人时1–2秒的消息传播延迟。
• 设计了反馈连接协议，使机器人能够向功能相似的机器人发送请求（如寻求支持）并接收回复，使用包含发送者/接收者ID的消息头。
• 通过jasmine-SDK采用基于状态机的控制系统，实现无需集中控制的行为驱动协调，支持快速实现。
• 在真实环境中开展实验，最多使用15台机器人，观察到在不同连接模型下涌现出团队形成和资源搜寻等行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在通信范围有限且计算资源受限的机器人集群中，如何有效传播全局信息？
• RQ2 不同去中心化信息传递机制在微纳机器人集群中的可扩展性和可靠性特征如何？
• RQ3 反馈连接如何在异构集群中实现协调行动？其成功受哪些因素影响？
• RQ4 局部连接、基于通道的连接和反馈连接这三种连接机制在哪些方面导致了不同的集体行为和共同知识水平？
• RQ5 在不同通信策略下，机器人之间的功能多样性如何影响集群的集体能力？

主要发现

• 纯基于数据包的路由在大规模集群通信中表现不佳，因内存开销过高，50台机器人集群中300–600条消息的存储消耗高达900字节。
• 通信通道机制实现了高效全局消息传播，6台机器人组成的通道构建时间约5秒，消息在6–15台机器人中传播延迟为1–2秒。
• 反馈连接使机器人能够向功能相似的同伴请求并接收响应，当至少两台支持性机器人响应时，可实现协同动作。
• 集群化——即集群自发分裂为孤立群体——被识别为主要故障模式，尤其当群体规模低于总集群规模的1/3–1/2时更为显著。
• 集群的集体能力被发现与功能多样性呈组合式增长，表明存在指数级但受动力学约束的关系。
• 集群的宏观行为不仅由算法决定，还显著受传感器/执行器具身化特性及所选全局信息传递策略的影响。