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.