Доклад на тему «Взаимодействие нескольких роботов»

Введение

Робот-пылесос справляется с квартирой в одиночку, и никакие помощники ему не нужны. А вот склад интернет-магазина площадью с несколько футбольных полей, где за сутки собирают десятки тысяч заказов, один робот обойдёт разве что за неделю, и туда выпускают сотни машин сразу. Так же обстоит дело с поиском людей под завалами, с картографированием морского дна или с праздничным салютом из светящихся дронов, и везде, где роботов больше одного, приходится решать, как им не мешать друг другу.

В курсе технологии к этой теме подходят в седьмом классе, в модуле робототехники. До этого ребята обычно собирают одного робота из конструктора и учат его ездить по линии или объезжать кубик, а тут вдруг выясняется, что два робота на одном поле ведут себя совсем не так, как каждый по отдельности. Они сталкиваются, перехватывают друг у друга цель, ждут друг друга на перекрёстке, и простая на вид задача начинает требовать настоящего планирования.

Корень трудностей в том, что каждый робот видит мир только через свои датчики и ничего не знает о планах соседа, пока тот ему не сообщит. Представьте узкий проход, к которому одновременно подъехали два робота: если оба поедут, будет столкновение, если оба вежливо остановятся, они простоят там до разрядки аккумуляторов. Робототехники, которые занимаются такими вещами, называют свою область групповой, или многоагентной, робототехникой, и правила «вежливости» для машин составляют в ней едва ли не главную часть работы.

В докладе рассмотрено, как роботы могут обмениваться информацией, какие бывают способы управления группой и где такие группы уже используются: на складах, в небе, на футбольном поле и в научных лабораториях. Во второй главе описано, как организовать взаимодействие двух роботов на школьном уроке. Материал опирается на учебник робототехники Д. Г. Копосова, национальный стандарт терминов по робототехнике и опубликованные научные работы о роях роботов.

Глава 1. Как роботы работают вместе

1.1 Способы связи между роботами

Проще всего, конечно, дать роботам «поговорить» по радио, через Bluetooth, Wi-Fi или отдельный радиомодуль. Школьные конструкторы, например LEGO Mindstorms EV3, умеют передавать друг другу по Bluetooth числа, текст и логические значения, и этого вполне хватает, чтобы один робот сказал другому «я доехал, твоя очередь».

Для коротких расстояний используют инфракрасные передатчики, как в пульте телевизора. Они дёшевы и потребляют мало энергии, но работают только в прямой видимости и мешают друг другу, если роботов много. Именно ИК-связь использовали гарвардские исследователи в проекте Kilobot, где тысяча маленьких роботов размером с монету переговаривались с ближайшими соседями, отражая сигнал от гладкой поверхности стола.

Бывает и так, что роботы вообще не передают друг другу сообщений, а общаются через окружающую среду. Один робот оставляет метку, например полосу на полу или изменение положения предмета, а другой её замечает и меняет своё поведение. Биологи называют такой способ стигмергией и наблюдают его у муравьёв и термитов, которые без всякого начальника строят сложные гнёзда, просто реагируя на то, что уже сделали другие.

Основные способы организации взаимодействия роботов и их особенности сведены в таблицу 1. Для каждого способа приведён пример, где он применяется.

Таблица 1 — Способы организации взаимодействия нескольких роботов

1.2 Централизованные и роевые системы

При централизованном управлении над группой стоит «диспетчер», обычно мощный компьютер, который знает, где находится каждый робот, и прокладывает маршруты так, чтобы они не пересекались. Это похоже на работу диспетчера аэропорта, который разводит самолёты по полосам и эшелонам. Такая схема хорошо работает в известной среде, например на складе с размеченным полом, но если связь с центром пропадёт, роботы остановятся.

Самый известный пример — складские роботы компании Amazon. В 2012 году она купила компанию Kiva Systems, выпускавшую низкие оранжевые тележки, которые подъезжают под стеллаж с товарами, поднимают его и привозят к сотруднику, собирающему заказ. Тысячи таких роботов ездят по складу одновременно, не сталкиваясь, потому что их движение рассчитывает центральная система, а ориентируются они по наклейкам с кодами на полу.

Насколько быстро росло число таких роботов, видно на рисунке 1. Цифры взяты из сообщений самой компании и округлены, поэтому их стоит рассматривать как порядок величин.

За десять лет парк складских роботов вырос примерно в пятьдесят раз, и это хорошо показывает, что взаимодействие множества роботов давно перестало быть лабораторной диковинкой. При этом людей на складах не стало меньше в той же пропорции, а их работа изменилась: вместо того чтобы ходить километры между полками, сотрудник стоит на месте и собирает заказы с полок, которые ему привозят.

Роевые системы устроены по-другому. В них нет главного компьютера, каждый робот видит только соседей и следует нескольким простым правилам, например «держись на определённом расстоянии от ближайшего», «двигайся в ту же сторону, что и соседи», «не отходи слишком далеко от группы». Из этих простых правил рождается сложное поведение всей группы, похожее на полёт стаи птиц или движение косяка рыб.

В 2014 году исследователи из Гарвардского университета Майкл Рубенштейн, Алехандро Корнехо и Радхика Нагпал опубликовали в журнале Science работу, где 1024 робота Kilobot без всякого центрального управления выстраивались в заданную фигуру, например в звезду или букву K. Процесс занимал около двенадцати часов, роботы иногда сбивались и застревали, но в итоге справлялись, и это стало одной из самых известных демонстраций роевой робототехники.

Роевые системы ценят за надёжность: если один робот сломается, остальные продолжат работу, ведь каждый из них заменим. Их минус в том, что результат трудно точно предсказать заранее, и инженеру приходится много экспериментировать, подбирая правила. Поэтому в промышленности пока чаще используют централизованные системы, а рои остаются направлением исследований и шоу.

Между этими крайностями есть и промежуточная схема «ведущий — ведомые», которую чаще всего и пробуют на уроках. Первый робот едет по линии, как обычно, и время от времени сообщает второму свою скорость или просто сигналит «стою» и «еду», а второй держится позади на заданном расстоянии, измеряя его ультразвуковым датчиком. По такому же принципу инженеры испытывают колонны грузовиков, где за машиной с водителем едут следующие, уже без водителей за рулём.

1.3 Роботы в небе и на футбольном поле

Самое зрелищное применение групп роботов — световые шоу из дронов. На церемонии открытия зимних Олимпийских игр 2018 года в Пхёнчхане компания Intel показала шоу из 1218 дронов, которые в небе складывались в олимпийские кольца и фигуру сноубордиста. В таком шоу каждый дрон летит по маршруту, заранее рассчитанному на компьютере, а во время полёта лишь сверяет свои координаты по спутниковой навигации.

Совсем другую задачу решают участники RoboCup, международных соревнований по футболу среди роботов, которые проводятся с 1997 года. Здесь роботы одной команды должны в реальном времени договариваться, кто идёт к мячу, кто защищается, кому сделать пас, а заранее рассчитать всё невозможно, потому что соперник играет по-своему. Организаторы RoboCup поставили амбициозную цель: к 2050 году создать команду роботов-гуманоидов, способную обыграть чемпионов мира по футболу среди людей.