Постановка задачи организации коммуникации

Существует большое количество работ, затрагивающих тематику организации коммуникаций в распределенных технических системах, в частности, в группах роботов [3, 5, 7]. Особенностью нашей задачи является то, что это должен быть набор относительно простых устройств, каждое из которых обладает ограниченными когнитивными возможностями. Простота и дешевизна устройства робота ограничивает возможности использования сложных и дорогих компонентов, в частности, для организации каналов обмена данными (сигналами, сообщениями).

Простота и дешевизна устройства робота означает, что мы не можем оснастить их теми возможностями, которые имеет любое, даже примитивное животное. В частности, у них не может быть системы приёма/передачи и распознавания аналоговых сигналов с возможностью идентификации этого сигнала и определения направления на источник сигнала и расстояния до него. Не говоря о том, что не идёт речь о наличии рецепторики для использования «языка жестов» или химической коммуникации.

Предлагается рассмотреть другой подход, основанный на использовании дискретного канала связи для эмуляции аналоговой коммуникации.

Рассмотрим вопрос об организации обмена сигналами в рое роботов. Рой образуется группой мобильных автономных роботов, каждый из которых идентифицируется некоторым заранее заданным номером. Этот номер играет роль адреса робота в сети. Робот имеет набор датчиков и может собирать информацию об окружающей среде, накапливая её в оперативной базе данных. Каждый робот имеет набор правил поведения, определяющих его действия в зависимости от условий окружающей среды, состояния робота и полученных им сообщений. Потребность в передаче данных может возникать у робота в случае необходимости выработки коллективного решения или нехватки собственных данных для принятия индивидуального решения, а также для информирования других роботов о возникновении какого-либо события (например, появления опасности).

Такой рой принято рассматривать как беспроводную сеть, описываемую графом, в узлах которого расположены роботы. Возможность связи между узлами сети (наличие дуг графа) определяется расстоянием между роботами, мощностью передатчиков и наличием препятствий между роботами. Роботы могут передвигаться (в общем случае, не только роботы, но и препятствия между ними), поэтому конфигурация сети не является статичной на протяжении времени работы сети. С другой стороны, в каждый момент времени роботы находятся в определенных точках пространства и фактически образуют некоторую статическую конфигурацию [4].

Несмотря на свою простоту, роботы должны ориентироваться относительно друг друга для организации локального взаимодействия и координации совместных действий. Локальность взаимодействия определяется радиусом приема сигналов. Будем называть роботов, находящихся в зоне приёма сигнала, соседями. Каждый робот должен обладать возможностью определять относительное местоположение своих соседей: например, «робот N находится слева» .

Ориентацию такого рода можно организовать разными способами, например, путём определения собственного местоположения робота относительно маяков или некоторых реперных точек или с помощью вычислений текущего положения робота по данным энкодеров, обычно, с учётом дополнительной информации, которая используется для устранения ошибки счисления. К сожалению, помимо высокой сложности самой задачи позиционирования, этот способ требует наличия высокоскоростных каналов передачи данных, которых в нашем случае нет.

Еще один способ ориентации основан на привязке к самому роботу. Основное направление движения каждого робота — направление «вперёд» (Forward), следовательно, для него можно определить понятия «лево» (Left), «право» (Right) и «назад» (Back). Можно оснастить робота датчиками определения расстояния и программой распознавания других участников роя, но распознавание также слишком сложная задача. Более простым в реализации способом является организация направленного приёма/передачи сигналов. Например, принимая сигнал от робота K, робот N может определить, что робот K находится справа от него (рис. 1). Мы будем использовать ориентацию по четырем приёмникам сигналов, т.к. человеку удобнее формулировать правила поведения роботов в привычных категориях направлений: вперёд, назад, направо и налево.

Для начала упростим ситуацию и будем считать, что роботы в течение периода обмена данными не двигаются (или, по крайней мере, не поворачиваются и не выходят за границы радиуса приема сигналов от соседей), и будем рассматривать группу роботов как статический рой [10].

Все передаваемые сообщения можно условно разделить следующим образом:

• — направленные и широковещательные;
• — требующие и не требующие ответа.

Последние относятся к информирующим и предназначаются для распространения данных о каких-либо важных событиях, например, появлении опасности. В экспериментах будут рассматриваться широковещательные сообщения, не требующие ответа.