Schwarmroboter helfen selbstfahrenden Autos, Kollisionen zu vermeiden

Die oberste Priorität für Unternehmen, die selbstfahrende Fahrzeuge entwickeln, ist, dass sie sicher navigieren und nicht kollidieren oder Verkehrsstaus verursachen können. Die Northwestern University hat diese Realität mit der Entwicklung des ersten dezentralen Algorithmus mit einer kollisionsfreien, deadlocksfreien Garantie einen Schritt näher gebracht.

Der Algorithmus wurde von den Forschern in einer Simulation von 1.024 Robotern sowie in einem Schwarm von 100 echten Robotern im Labor getestet. Innerhalb einer Minute konnten die Roboter zuverlässig, sicher und effizient eine vorgegebene Form bilden, und das in weniger als einer Minute.

Der Studienleiter war Michael Rubenstein von der Northwestern University. Er ist der Lisa Wissner-Slivka und Benjamin Slivka Professor für Informatik an der McCormick School of Engineering.

“Wenn Sie viele autonome Fahrzeuge auf der Straße haben, möchten Sie nicht, dass sie miteinander kollidieren oder in einer Sackgasse stecken bleiben”, sagte Rubenstein. “Indem wir verstehen, wie wir unsere Schwarmroboter steuern, um Formen zu bilden, können wir verstehen, wie wir Flotten von autonomen Fahrzeugen steuern, wenn sie miteinander interagieren.”

Der Artikel wird später in diesem Monat im Journal IEEE Transactions on Robotics veröffentlicht.

Es gibt einen Vorteil bei der Verwendung eines Schwarms von kleinen Robotern im Vergleich zu einem großen Roboter oder einem Schwarm, der von einem Roboter geführt wird: Es gibt keine zentrale Steuerung. Eine zentrale Steuerung kann zu einem großen Fehler werden, und Rubensteins dezentraler Algorithmus dient als Sicherheitsmechanismus.

“Wenn das System zentralisiert ist und ein Roboter nicht mehr funktioniert, dann versagt das gesamte System”, sagte Rubenstein. “In einem dezentralen System gibt es keinen Anführer, der allen anderen Robotern sagt, was sie tun sollen. Jeder Roboter trifft seine eigenen Entscheidungen. Wenn ein Roboter in einem Schwarm ausfällt, kann der Schwarm dennoch die Aufgabe erfüllen.”

Um Kollisionen und Staus zu vermeiden, koordinieren die Roboter miteinander. Der Boden unter den Robotern dient als Gitter für den Algorithmus, und jeder Roboter ist sich seiner Position auf dem Gitter bewusst, dank einer Technologie, die ähnlich wie GPS funktioniert.

Bevor sie sich von einem Ort zum anderen bewegen, verlassen sich die Roboter auf Sensoren, um mit anderen Robotern zu kommunizieren. Auf diese Weise können sie bestimmen, ob andere Plätze auf dem Gitter frei oder besetzt sind.

“Die Roboter weigern sich, zu einem Ort zu bewegen, bis dieser frei ist und bis sie wissen, dass keine anderen Roboter zu demselben Ort bewegen”, sagte Rubenstein. “Sie sind vorsichtig und reservieren einen Platz im Voraus.”

Die Roboter können miteinander kommunizieren, um eine Form zu bilden, und das ist möglich, weil sie nur ihre nächsten Nachbarn wahrnehmen können.

“Jeder Roboter kann nur drei oder vier seiner nächsten Nachbarn wahrnehmen”, erklärte Rubenstein. “Sie können nicht über den gesamten Schwarm hinweg sehen, was es einfacher macht, das System zu skalieren. Die Roboter interagieren lokal, um Entscheidungen ohne globale Informationen zu treffen.”

100 Roboter können innerhalb einer Minute eine Form bilden, im Vergleich zu der Stunde, die es in einigen früheren Ansätzen gedauert hat. Rubenstein möchte, dass sein Algorithmus in selbstfahrenden Fahrzeugen und automatisierten Lagerhäusern eingesetzt wird.

“Große Unternehmen haben Lagerhäuser mit Hunderten von Robotern, die Aufgaben ausführen, die ähnlich sind wie die, die unsere Roboter im Labor ausführen”, sagte er. “Sie müssen sicherstellen, dass ihre Roboter nicht kollidieren, aber so schnell wie möglich zu dem Ort bewegen, an dem sie schließlich einem Menschen ein Objekt übergeben.”