Quality-sensitive foraging by a robot swarm through virtual pheromone trails

Large swarms of simple autonomous robots can be employed to find objects clustered at random locations, and transport them to a central depot. This solution offers system parallelisation through concurrent environment exploration and object collection by several robots, but it also introduces the challenge of robot coordination. Inspired by ants’ foraging behaviour, we successfully tackle robot swarm coordination through indirect stigmergic communication in the form of virtual pheromone trails. We design and implement a robot swarm composed of up to 100 Kilobots using the recent technology Augmented Reality for Kilobots (ARK). Using pheromone trails, our memoryless robots rediscover object sources that have been located previously. The emerging collective dynamics show a throughput inversely proportional to the source distance. We assume environments with multiple sources, each providing objects of different qualities, and we investigate how the robot swarm balances the quality-distance trade-off by using quality-sensitive pheromone trails. To our knowledge this work represents the largest robotic experiment in stigmergic foraging, and is the first complete demonstration of ARK, showcasing the set of unique functionalities it provides

Artificial Pheromone for Path Selection by a Foraging Swarm of Robots

Foraging robots involved in a search and retrieval task may create paths to navigate faster in their environment. In this context, a swarm of robots that has found several resources and created different paths may benefit strongly from path selection. Path selection enhances the foraging behavior by allowing the swarm to focus on the most profitable resource with the possibility for unused robots to stop participating in the path maintenance and to switch to another task. In order to achieve path selection, we implement virtual ants that lay artificial pheromone inside a network of robots. Virtual ants are local messages transmitted by robots; they travel along chains of robots and deposit artificial pheromone on the robots that are literally forming the chain and indicating the path. The concentration of artificial pheromone on the robots allows them to decide whether they are part of a selected path. We parameterize the mechanism with a mathematical model and provide an experimental validation using a swarm of 20 real robots. We show that our mechanism favors the selection of the closest resource is able to select a new path if a selected resource becomes unavailable and selects a newly detected and better resource when possible. As robots use very simple messages and behaviors, the system would be particularly well suited for swarms of microrobots with minimal abilitie

Visual attention and swarm cognition for off-road robots

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspiração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formigas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, inspeccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspi- ração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formi- gas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, ins- peccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT,SFRH/BD/27305/2006); Laboratory of Agent Modelling (LabMag