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Schwarmverhalten
Anwendungen, Formationen &Emergenz
Oliver Stadie
Übersicht
● Anwendungen:– Animation in Film & Spiel (Boids)– Militär: Drohnen & Formationen
● Formationen durch Emergenz:– Verschiedene Ansätze– Artificial Physics im Detail
AnwendungenAnimation
● Motivation:– Animation von Schwärmen sehr
Aufwendig & Kostenintensiv– Einfache Kostengünstige Methode zur
Simulation von Schwärmen– Bsp.: Fledermaus-/Pinguin-Schwärme im
Film „Batman Returns“– Bsp: Legionärsformationen im Spiel
„Rome – Total War“
● Ansatz der Boids:– Separation; Alignment; Cohesion
AnwendungenAnimation (2)
● Probleme mit Boids:– Unkontrolliertes Gesamtverhalten
● Ziele mit Boids ansteuern– Zusätzlicher Vektor zu den drei
(Separation, Alignment, Cohesion) anderen
– Globale Kontrolle wird benutzt– Zielpunkt kann sich jederzeit ändern,
dadurch ist der „Weg“ spezifizierbar
AnwendungenAnimation (3)
● Weitere Probleme:– Animation der Individuen.– Schwierig an Bewegung im Schwarm zu
koppeln.– z.B. Anderes Flügelschlagen beim herab
Gleiten und „Hochflattern“– z.B. Andere Gesichtsausdrücke bei
Separation und Cohesion
AnwendungenAnimation (4)
● Motivation:– Flächendeckende Aufklärung,
Bombardierung– Autonome Kriegsmaschinen
● Meta-Ziele:– Macht– Geld– Menschenleben
AnwendungenMilitär
● LOCAAS (Low Cost Autonomous Attack System):
– Autonome (Boid ähnliche) Drohnen für je $30.000
– Aufteilen verschiedener Ziele– Maschinengewehre oder panzerbrechende
Raketen
AnwendungenMilitär (2)
● LOCAAS
AnwendungenMilitär (3)
● Wie entstehen Formationen?– Boids reichen nicht– Emergenz nötig
AnwendungenMilitär (4)
● Spezifikation & Beweis mittels Modallogik● Attachment points● Basic Spring Model● Hypothesis Generation Method● Nullspace Composition● Formation Control Graphs● Artificial Physics (im Detail)
Formationen durch EmergenzVerschiedene Ansätze
● Spezifikation & Beweis mittels Modallogik1)Individuen formal spezifizieren2)Schwarm formal spezifizieren3)(Un-)Gewünschtes Verhalten spezifizieren4)Beweis des Gewünschten Verhaltens
● Nächste Woche wahrscheinlich mehr
Formationen durch EmergenzVerschiedene Ansätze
● Attachment points
Formationen durch EmergenzVerschiedene Ansätze
● Basic Spring Model
Formationen durch EmergenzVerschiedene Ansätze
Zi pper
● Hypothesis Generation Method
Formationen durch EmergenzVerschiedene Ansätze
● Nullspace Composition– Keine lokalen Minima in einer Dimension– Auf orthogonalen Achsen separat
anwendbar
Formationen durch EmergenzVerschiedene Ansätze
● Formation Control Graphs– Jeder Agent ein Knoten– Jede Verbindung eine Kante– Graphentheorie anwendbar
Formationen durch EmergenzVerschiedene Ansätze
● Zwischen einzelnen Agenten werden künstliche physikalische Kräfte simuliert (z.B. Gravitation)
Formationen durch EmergenzArtificial Physics
Abstand mit potentiellerEnergie = 0
Stärke & Richtungder Gravitation
Agent
● Hexagon– Einfache Regeln reichen
Formationen durch EmergenzArtificial Physics (2)
● Hexagon– Grob erkennbar
Formationen durch EmergenzArtificial Physics (3)
Cluster
● Quadrat– Zusätzliche Eigenschaft: Spin
Formationen durch EmergenzArtificial Physics (4)
R2 R
● Quadrat– Schlechte Approximation– Lokale Formationen
erkennbar
Formationen durch EmergenzArtificial Physics (5)
Cluster mit gleichem Spin
Globale „Risse“
● Quadrat– Mit Noise durch „spin-flips“– Behebung globaler „Risse“
Formationen durch EmergenzArtificial Physics (6)
● Sortieren– Agenten die Daten enthalten und sortiert
werden sollen– Quadrat– Hexagon– Keine Koordinaten sondern Relation
zueinander– Zusätzliche Parameter (v.a. orientation)
Formationen durch EmergenzArtificial Physics (7)
● Sortieren– Falsch sortierte „tanzen aneinander vorbei“– Gewünschte Formation perfekt
Formationen durch EmergenzArtificial Physics (8)
Quellen (1)
● Slides– Gazi, Veysel / Fidan , Barıs: Coordination and Control of Multi-
Agent Dynamic Systems: Models and Approaches, Oktober 2006. Internet: http://www.swarm-robotics.org/SAB06/presentations/gazi-2-sab06-srw.pdf [3. Mai 2009].
– Eric Martinson, David Payton: Lattice Formation in Mobile Autonomous Sensor Arrays, Juli 2004. Internet: http://www.swarm-robotics.org/SAB04/presentations/payton-research.pdf[3. Mai 2009].
Quellen (2)
● Papers– Bjerknes, Jan Dyre / Winfield , Alan FT / Melhuish, Chris: An
Analysis of Emergent Taxis in a Wireless Connected Swarm of Mobile Robots. In: Proc. IEEE Swarm Intelligence Symposium (SIS 2007), Hawaii, April 2007.
– Balch, Tucker / Hybinette, M.: Behavior-based coordination of large-scale robot formations. In: Proceedings of the Fourth International Conference on Multiagent Systems (ICMAS '00), Juli, 2000, pp. 363 – 364.
– Heider, Dominik: Drohnen im zivilen und militärischen Einsatz. Februar, 2006. Internet: http://euro-police.noblogs.org/gallery/3874/drohnen.pdf [17. Mai 2009].
Quellen (3)
● Papers– Winfield, Alan FT / Sa, Jin / Fernández-Gago, Mari-Carmen et
al.: On Formal Specification of Emergent Behaviours in Swarm Robotic Systems. In: Int. J. Advanced Robotic Systems, 2 (4), 363-370, 2005.
– Spears, William M. / Gordon, Diana F.: Using Artificial Physics to Control Agents. In: IEEE International Conference on Information, Intelligence, and Systems, 1999.
– Platt Jr., Robert / Fagg, Andrew H. / Grupen, Roderic A.: Nullspace Composition of Control Laws for Grasping. In: IEEE Int’l Conf. on Intelligent Robots and Systems, 2002.
Quellen (4)
● Papers & Websites– Low Cost Autonomous Attack System (LOCAAS). Miniature
Munition Capability, November 1999. Internet: http://www.fas.org/man/dod-101/sys/smart/locaas.htm [18. Mai 2009].
– Reynolds, Craig W.: Flocks, Herds, and Schools: A Distributed Behavioral Model, 1987. In: Computer Graphics, 21(4) (SIGGRAPH '87 Conference Proceedings) pages 25-34.
– Reynolds, Craig: Boids. Background and Update, September 2001. Internet: http://www.red3d.com/cwr/boids/ [27. April 2009].
Quellen (5)
● Papers die zum Thema passen aber nicht in den Vortrag eingeflossen sind:
– Lee, KwangEui: An Automated Sensor Deployment Algorithm Based on Swarm Intelligence for Ubiquitous Environment. IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.7 No.12, December 2007.
– Nathan, Andre / Barbosa, Valmir C.: V-like Formations in Flocks of Artificial Birds. In: Artif. Life, Vol. 14, No. 2. (2008), pp. 179-188.