The collective operation of robots, such as unmanned aerial vehicles (UAVs) operating as a team or swarm, is affected by their individual capabilities, which in turn is dependent on their physical design, aka morphology. However, with the exception of a few (albeit ad hoc) evolutionary robotics methods, there has been very little work on understanding the interplay of morphology and collective behavior. There is especially a lack of computational frameworks to concurrently search for the robot morphology and the hyper-parameters of their behavior model that jointly optimize the collective (team) performance. To address this gap, this paper proposes a new co-design framework. Here the exploding computational cost of an otherwise nested morphology/behavior co-design is effectively alleviated through the novel concept of ``talent" metrics; while also allowing significantly better solutions compared to the typically sub-optimal sequential morphology$\to$behavior design approach. This framework comprises four major steps: talent metrics selection, talent Pareto exploration (a multi-objective morphology optimization process), behavior optimization, and morphology finalization. This co-design concept is demonstrated by applying it to design UAVs that operate as a team to localize signal sources, e.g., in victim search and hazard localization. Here, the collective behavior is driven by a recently reported batch Bayesian search algorithm called Bayes-Swarm. Our case studies show that the outcome of co-design provides significantly higher success rates in signal source localization compared to a baseline design, across a variety of signal environments and teams with 6 to 15 UAVs. Moreover, this co-design process provides two orders of magnitude reduction in computing time compared to a projected nested design approach.


翻译:机器人的集体操作,例如作为团队或群温运行的无人驾驶飞行器(UAVs),受到其个体能力的影响,而这些能力反过来又取决于其物理设计,即 aka 形态学。然而,除了少数(尽管是临时的)进化机器人方法外,在理解形态学和集体行为相互作用方面开展的工作很少。尤其缺乏同时搜索机器人形态学及其行为模型的超参数的计算框架,这些模型可以共同优化集体(team)性能。为弥补这一差距,本文件提出了一个新的共同设计框架。在这里,一个否则嵌入的形态/behavor 共同设计方法的计算成本爆破,通过“talent”度测量新概念来有效缓解;同时,还允许与典型的次优化的次优化测序变变形态至美元等设计方法相比,这个框架提供了四个主要步骤: 人才测试, 人才搜索Pareto 勘探(一个多目的的图像分析), 将本地的信号性变异性系统优化流程, 将行为优化到本地设计设计工具组, 展示了当地设计结果组。

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