Slides for a presentation at University

1. Schwarmverhalten
Anwendungen, Formationen &
Emergenz
Oliver Stadie

2. Übersicht
● Anwendungen:
– Animation in Film & Spiel (Boids)
– Militär: Drohnen & Formationen
● Formationen durch Emergenz:
– Verschiedene Ansätze
– Artificial Physics im Detail

3. Anwendungen
Animation
● 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“

4. ● Ansatz der Boids:
– Separation; Alignment; Cohesion
Anwendungen
Animation (2)
● Probleme mit Boids:
– Unkontrolliertes Gesamtverhalten

5. ● 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
Anwendungen
Animation (3)

6. ● 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
Anwendungen
Animation (4)

7. ● Motivation:
– Flächendeckende Aufklärung,
Bombardierung
– Autonome Kriegsmaschinen
● Meta-Ziele:
– Macht
– Geld
– Menschenleben
Anwendungen
Militär

8. ● LOCAAS (Low Cost Autonomous Attack
System):
– Autonome (Boid ähnliche) Drohnen für je
$30.000
– Aufteilen verschiedener Ziele
– Maschinengewehre oder panzerbrechende
Raketen
Anwendungen
Militär (2)

9. ● LOCAAS
Anwendungen
Militär (3)

10. ● Wie entstehen Formationen?
– Boids reichen nicht
– Emergenz nötig
Anwendungen
Militär (4)

11. ● Spezifikation & Beweis mittels Modallogik
● Attachment points
● Basic Spring Model
● Hypothesis Generation Method
● Nullspace Composition
● Formation Control Graphs
● Artificial Physics (im Detail)
Formationen durch Emergenz
Verschiedene Ansätze

12. ● Spezifikation & Beweis mittels Modallogik
1)Individuen formal spezifizieren
2)Schwarm formal spezifizieren
3)(Un-)Gewünschtes Verhalten spezifizieren
4)Beweis des Gewünschten Verhaltens
● Nächste Woche wahrscheinlich mehr
Formationen durch Emergenz
Verschiedene Ansätze

13. ● Attachment points
Formationen durch Emergenz
Verschiedene Ansätze

14. ● Basic Spring Model
Formationen durch Emergenz
Verschiedene Ansätze
Zi pper

15. ● Hypothesis Generation Method
Formationen durch Emergenz
Verschiedene Ansätze

16. ● Nullspace Composition
– Keine lokalen Minima in einer Dimension
– Auf orthogonalen Achsen separat
anwendbar
Formationen durch Emergenz
Verschiedene Ansätze

17. ● Formation Control Graphs
– Jeder Agent ein Knoten
– Jede Verbindung eine Kante
– Graphentheorie anwendbar
Formationen durch Emergenz
Verschiedene Ansätze

18. ● Zwischen einzelnen Agenten werden
künstliche physikalische Kräfte simuliert
(z.B. Gravitation)
Formationen durch Emergenz
Artificial Physics
Abstand mit potentieller
Energie = 0
Stärke & Richtung
der Gravitation
Agent

19. ● Hexagon
– Einfache Regeln reichen
Formationen durch Emergenz
Artificial Physics (2)

20. ● Hexagon
– Grob erkennbar
Formationen durch Emergenz
Artificial Physics (3)
Cluster

21. ● Quadrat
– Zusätzliche Eigenschaft: Spin
Formationen durch Emergenz
Artificial Physics (4)
R2 R

22. ● Quadrat
– Schlechte Approximation
– Lokale Formationen
erkennbar
Formationen durch Emergenz
Artificial Physics (5)
Cluster mit gleichem Spin
Globale „Risse“

23. ● Quadrat
– Mit Noise durch „spin-flips“
– Behebung globaler „Risse“
Formationen durch Emergenz
Artificial Physics (6)

24. ● Sortieren
– Agenten die Daten enthalten und sortiert
werden sollen
– Quadrat
– Hexagon
– Keine Koordinaten sondern Relation
zueinander
– Zusätzliche Parameter (v.a. orientation)
Formationen durch Emergenz
Artificial Physics (7)

25. ● Sortieren
– Falsch sortierte „tanzen aneinander vorbei“
– Gewünschte Formation perfekt
Formationen durch Emergenz
Artificial Physics (8)

26. 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].

27. 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].

28. 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.

29. 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].

30. 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.