DE102022212465A1

DE102022212465A1 - Verfahren zur verteilten Schwarmbildung

Info

Publication number: DE102022212465A1
Application number: DE102022212465.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Andrae; David Gonzalez Gonzalez; Osvaldo Gonsa
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2022-11-22
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2024-05-23
Also published as: WO2024110361A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine automatisierte Entität zur verteilten Bildung eines Schwarmes. Die automatisierten Entitäten (AE1...AE7) sind anfänglich willkürlich über ein Operationsgebiet (OA) stationiert und werden dazu aufgefordert, einen Schwarm (neu) zu bilden, um einen Auftrag auszuführen. Das Verfahren umfasst: (S1) Bewerten, durch jede automatisierte Entität, eines anfänglichen individuellen Ranges in Anbetracht von eigenen Kommunikations- und Nichtkommunikationsfähigkeiten, und Erzeugen einer individuellen geplanten Strategie zur Erreichung einer Begegnungszone (MA) unter individuellen Optimierungsrandbedingungen; (S2) Kommunizieren, durch jede automatisierte Entität, der Daten für bewertete anfängliche Ränge und Fähigkeiten; (S3) in Abhängigkeit von den von antwortenden automatisierten Entitäten empfangenen Daten für anfängliche Ränge und Fähigkeiten, Aufnehmen von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Aktualisieren des anfänglichen individuellen Ranges und der geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung mit den antwortenden automatisierten Entitäten unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung.Das Ergebnis der Anwendung des neuartigen Verfahrens ist ein vollständig verbundener Cluster (K) oder Schwarm (AE1- AE7) von automatisierten Entitäten innerhalb des Operationsgebietes (OA), der auf eine optimierte und energieeffiziente Weise gebildet wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur verteilten Schwarmbildung bezüglich des Gebietes der Konnektivität von autonom betriebenen Geräten.
Viele Wirtschaftszweige (z. B. Landwirtschaft, Fertigung, Militär, Bauwesen, Logistik usw.) erleben höhere Autonomiegrade als Mittel zur Verbesserung der betrieblichen Leistungsfähigkeit, wobei potenziell auch Ressourcen, wie beispielsweise Energie, Emissionen und Personal, eingespart werden. Das erfolgt mittels dessen, was als „Schwarmintelligenz“ bekannt ist, d. h., die Organisation für ein System von mehreren automatisierten Entitäten mit dem Ziel des Nachahmens der Fähigkeit eines Schwarmes, angesichts eines externen Stimulus ein kollektives Verhalten zu zeigen. Schwarmlandwirtschaft ist ein neues Modell für die Landwirtschaft, wo Schwärme von kleinen autonomen Plattformen neue landwirtschaftliche Praktiken schaffen, wie zum Beispiel durch die US2018020611A1 oder die US2019124910A1 beschrieben. Roboter oder Fluggeräte können dazu verwendet werden, gefährliche Aufträge in Angriff zu nehmen, wie beispielsweise die Beseitigung von Landminen (siehe CN112946766A ) oder die Notfallwiederherstellung (wie durch die US2018217593A1 offenbart). Schwärme von Mikrofluggeräten können eine autonome Überwachung durchführen, wie durch die EP3545381A1 offenbart. All diese Lösungen weisen automatisierte Interaktionen zwischen automatisierten Maschinen oder Fahrzeugen sowie ihre Orchestrierung auf. Somit wird die Konnektivität, oder genauer gesagt die Mobilnetzabdeckung, als entscheidendes Mittel zur Ermöglichung der Optimierung der betrieblichen Leistungsfähigkeit betrachtet und erlaubt einen sehr hohen Flexibilitätsgrad.
Bekannte Konnektivitätslösungen, die bei geländetauglichen Anwendungsfällen ansetzen, unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Anwendungsbereiche und Anforderungen. Betrachten wir den Fall des Geländeszenarios ohne Netzabdeckung: Automatisierte Fahrzeuge oder Roboter, Mitglieder eines Schwarmes und Kommunikationsknoten, operieren vielleicht an Arbeitsplätzen mit potenziell sehr großen räumlichen Dimensionen und einer großen räumlichen Trennung zwischen ihnen. Von einer vorhergehenden Aufgabe her enden Knoten an unterschiedlichen Stellen, die potenziell sehr weit voneinander entfernt sind. Aufgrund der großen räumlichen Trennung ist eine direkte Kommunikation mit allen von ihnen nicht möglich, nur einige Knoten aus dem gesamten Schwarm können miteinander kommunizieren. Um die Informationen in Bezug auf die nächste Aufgabe zu erhalten, müssen Knoten einen vollständig verbundenen Schwarm schaffen. Die gleiche Notwendigkeit, aber aus anderen Gründen, könnte auch für Antennen bestehen, die über nichtterrestrische Netze verbunden sind (zum Verbinden eines spontan errichteten Funkzugangsnetzes), oder für die Fahrzeug-an-Alles-Kommunikation (V2X, zur gemeinsamen Benutzung von Synchronisierungsinformationen). Eine gewöhnliche Lösung, die bei dieser Notwendigkeit ansetzt, würde darin bestehen, dass alle Knoten einem Treffpunkt (z. B. in der Mitte des Operationsgebietes) „hinreichend nahe“ kommen. Gleichwohl gibt es einige Nachteile bezüglich dieser Art des Standes der Technik: Zum Beispiel können viele vorhandene Lösungen nur mit Hilfe eines Mobilfunknetzes angewandt werden, das nur eine beschränkte Abdeckung bereitstellen kann und Ausfällen unterworfen sein könnte. Ferner will nicht jeder Benutzer oder Schwarmbetreiber in die Errichtung „privater“, lokaler Funkzugangsnetze und ihre Unterhaltung investieren.
Somit sind kostengünstige Lösungen erforderlich, die wirksame Operationen autonomer Schwärme selbst in Gebieten ohne Netzabdeckung sowie rauen Umgebungen ermöglichen. Hier ist die direkte oder indirekte Kommunikation unter Schwarmmitgliedern nutzbringend und kann auch als Ersatzmodus dienen, falls die lokale Netzinfrastruktur versagt.
Daher besteht das Problem darin, wie ein (vollständig) verbundener Schwarm wirksam zu schaffen ist, unter Berücksichtigung der Fähigkeiten der gebräuchlichen Drahtlostechnologie, zusammen mit wirksamkeitsoptimierenden Kriterien, z. B. geringste Zeit für die Schwarmbildung von automatisierten Entitäten oder geringster Energieverbrauch.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren und entsprechende automatisierte Entitäten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur verteilten Schwarmbildung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche weisen vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der vorliegenden Prinzipien, wie unten beschrieben, auf.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur verteilten Schwarmbildung für eine Mehrzahl von automatisierten Entitäten, anfänglich stationiert über ein Operationsgebiet, bereitgestellt. Mindestens eine automatisierte Entität kann drahtlos eine Verbindung mit mindestens einer anderen automatisierten Entität aus der Mehrzahl von automatisierten Entitäten herstellen. Das Verfahren umfasst: Bewerten, durch jede automatisierte Entität, eines anfänglichen individuellen Ranges in Anbetracht von eigenen Kommunikations- und Nichtkommunikationsfähigkeiten, und Erzeugen einer individuellen geplanten Strategie zur Erreichung einer Begegnungszone unter individuellen Optimierungsrandbedingungen; Kommunizieren, durch jede automatisierte Entität, der Daten für bewertete anfängliche Ränge und Fähigkeiten; in Abhängigkeit von den von antwortenden automatisierten Entitäten empfangenen Daten für anfängliche Ränge und Fähigkeiten, Aufnehmen von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Aktualisieren des anfänglichen individuellen Ranges und der geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung mit den antwortenden automatisierten Entitäten unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung.
Im Vergleich zu einem gewöhnlichen Ansatz, wo sich alle Schwarmmitglieder an derselben vordefinierten Stelle treffen würden (z. B. üblicherweise in der Mitte des Operationsgebietes) und alle Knoten ihr „hinreichend nahe“ kommen, berücksichtigt eine fortgeschrittenere Suchstrategie die Fähigkeiten der Schwarmentitäten und erlaubt die Optimierung der verteilten Suchstrategie in Bezug auf verschiedene Aufgaben (z. B. gesamter oder individueller Energie- oder Treibstoffverbrauch, Zeit zur Bildung oder Wiederzusammensetzung des gesamten Schwarmes usw.).
In einigen Ausführungsformen können Kommunikationsfähigkeiten den Kommunikationsbereich, die Übertragungsleistung, unterstützte Frequenzbänder und drahtlose Kommunikationstechnologien, wie beispielsweise Funk, ZigBee, Bluetooth, WLAN, Ultrabreitband, Vorrichtung-zu-Vorrichtung-Kommunikation, zellulare oder Satellitenkommunikation, aufweisen. Weiterhin können Nichtkommunikationsfähigkeiten den Typ und die Eigenschaften der automatisierten Entität, den Treibstoff- oder Energiestatus, die Bordrechenleistung aufweisen.
In weiteren Ausführungsformen bedeutet das Bewerten des individuellen Ranges das Bestimmen einer Priorität und einer Reihenfolge zur Erreichung der Begegnungszone in Anbetracht von Kommunikationsfähigkeiten, der Entfernung oder der Eigenschaften des Weges zu der Begegnungszone und des geschätzten Treibstoff-/Energieverbrauches oder Zeitaufwandes. Weiterhin bedeutet das Erzeugen der individuellen geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone unter individuellen Optimierungsrandbedingungen das Bestimmen der eigenen Schrittweite und/oder Trajektorie unter Berücksichtigung individueller zeitlicher, räumlicher oder Energieoptimierungsrandbedingungen und das Operieren gemäß einem Verhalten, das mit dem bewerteten individuellen Rang verknüpft ist, nämlich als Kundschafter oder als Folger eines Kundschafters. Außerdem bedeutet das Aktualisieren des anfänglichen individuellen Ranges das Übernehmen der Reihenfolge, der Priorität und des Verhaltens, verknüpft mit dem aktualisierten Rang.
In einigen Ausführungsformen bedeutet das Übernehmen des Kundschafterverhaltens das Bestimmen, durch jeden Kundschafter und unter Optimierungsrandbedingungen, einer aktualisierten Schrittweite und Trajektorie zu der Begegnungszone hin unter der Bedingung der Aufrechterhaltung einer Verbindung/von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Folgern. Das Übernehmen des Kundschafterverhaltens bedeutet ferner das Weitergeben der jeweiligen aktualisierten Trajektorie und Schrittweite an seine Folger, falls der Kundschafter einschätzt, dass er die Verbindung mit seinem/seinen nächstgelegenen Folger/n verliert, wenn er sich gemäß der aktualisierten Schrittweite und Trajektorie bewegt. In anderen Ausführungsformen bedeutet das Übernehmen des Kundschafterverhaltens, dass der Kundschafter regelmäßig seine eigene berechnete Schrittweite und Trajektorie an einen oder mehrere Folger ausgibt. In noch anderen Ausführungsformen bedeutet das Übernehmen des Kundschafterverhaltens das regelmäßige Bestimmen sowohl der eigenen als auch der Folgerschrittweite und -trajektorie und das Ausgeben dieser Daten an den oder die Folger.
In einigen Ausführungsformen bedeutet das Aktualisieren des individuellen Ranges ferner, dass, wenn sich zwei oder mehr automatisierte Entitäten mit ähnlichen Rängen treffen, sie ihre jeweiligen Fähigkeiten vergleichen, wobei der Entität mit höheren Fähigkeiten ein höherer Rang zugewiesen wird.
In einigen Ausführungsformen bedeutet das Übernehmen des Folgerverhaltens, dass die automatisierte Entität in Abhängigkeit von der durch den Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie operiert, indem sie ihre eigene Schrittweite und Trajektorie entsprechend aktualisiert. In einigen Ausführungsformen bedeutet das Übernehmen des Folgerverhaltens, dass die automatisierte Entität dem Kundschafter ihre letzte Position anzeigt, falls sie bestimmt, dass sie aufgrund ihrer beschränkten Fähigkeiten der durch den Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie nicht folgen kann. Außerdem bedeutet das Übernehmen des Folgerverhaltens ferner das Weiterleiten aller Anzeigen von letzten Positionen, empfangen von anderen Folgern, an den Kundschafter.
In einigen Ausführungsformen bedeutet das Aufnehmen von Verbindungen das Herstellen von Verbindungen mit automatisierten Entitäten, erreicht direkt unter Verwendung von Unicast oder Groupcast mittels Funkverbindung, Vorrichtung-zu-Vorrichtung-Kommunikation, 5G Sidelink, Wi-Fi Direct oder Ultrabreitband, Ultra-Wideband - (UWB), Broadcast-Kommunikation mittels DSRC, LTE-V2X, NR-V2X oder GeoNetworking, oder indirekt auf Multihop-Art.
In einigen alternativen Ausführungsformen wird, anstatt zu bewerkstelligen, dass alle Schwarmmitglieder dieselbe eindeutige Begegnungszone erreichen, erwartet, dass unterschiedliche Cluster von automatisierten Entitäten unterschiedliche Begegnungszonen erreichen, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird eine automatisierte Entität bereitgestellt, anfänglich willkürlich stationiert über ein Operationsgebiet, und dazu aufgefordert, einen Schwarm zu bilden. Die Entität umfasst eine Mehrzahl von Sensoren, Drahtloskommunikationsmittel, einen Speicher und mindestens einen Prozessor, der an den Speicher gekoppelt ist. Der mindestens eine Prozessor ist zur Ausführung der einen oder mehreren folgenden Anweisungen konfiguriert: Bewerten eines anfänglichen individuellen Ranges, auf der Grundlage von eigenen Kommunikations- und Nichtkommunikationsfähigkeiten, und Erzeugen einer individuellen geplanten Strategie zur Erreichung einer Begegnungszone unter individuellen Optimierungsrandbedingungen; Kommunizieren der Daten für bewertete anfängliche Ränge und Fähigkeiten; in Abhängigkeit von den von antwortenden automatisierten Entitäten empfangenen Daten für anfängliche Ränge und Fähigkeiten, Aufnehmen von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Aktualisieren des individuellen Ranges und der geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung mit den antwortenden automatisierten Entitäten unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung.
Hier sind der Energie- und Treibstoffverbrauch einzelner Schwarmmitglieder (automatisierte Entitäten) auch wichtige Parameter für die gesamte betriebliche Leistungsfähigkeit. Außerdem werden Kommunikationskosten und damit verbundene Abwägungen berücksichtigt, insbesondere wenn zellulare oder Satellitenkommunikation beteiligt ist.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich werden.
Figuren

1 zeigt ein beispielhaftes Szenario, wo Schwarmentitäten willkürlich über ein Operationsgebiet stationiert sind, eine Begegnungszone definiert ist und automatisierte Entitäten dazu aufgefordert sind, einen verteilten Schwarm zu bilden,
2 veranschaulicht das Szenario von 1, wobei die automatisierten Entitäten aus 1 als zu Clustern verbunden gezeigt werden, mit einer Veranschaulichung ihrer jeweiligen Drahtloskommunikationsbereiche,
3 zeigt selbstbewertete Ränge jeder automatisierten Entität, die an dem Szenario aus 1 teilnimmt,
4 stellt eine dynamische Bewegung der automatisierten Entitäten mit aktualisierten Rängen dar, die an dem Szenario aus 1 teilnehmen,
5 zeigt weiter das dynamische Voranschreiten in dem in 4 erörterten Szenario, wie sie sich der Begegnungszone weiter annähern und mit einer Veranschaulichung der jeweiligen Kommunikationsbereiche für jede beteiligte automatisierte Entität,
6 stellt den Moment dar, in dem zwei Kundschafter die Begegnungszone erreichen und einen vollständig verbundenen Schwarm bilden,
7 zeigt eine mögliche Bodentopologie eines vollständig verbundenen Schwarmes, verteilt an zwei Begegnungszonen und unterstützt durch in der Luft befindliche Entitäten,
8 zeigt eine Drohne oder ein Fluggerät als Teil eines vollständig verbundenen Netzes der automatisierten Entitäten AE0 - AE',
9 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Verfahren zur verteilten Schwarmbildung.

Ausführliche Beschreibung
Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden Ausführungsformen der Erfindung im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlicher erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für die gleichen oder äquivalente Elemente verwendet und werden nicht notwendigerweise für jede Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt ist und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne von dem in den beigefügten Patentansprüchen definierten Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Wie hierin bezeichnet, bedeutet „automatisierte Entitäten eines Schwarmes“ oder „Schwarmentitäten“ autonome Fahrzeuge, Roboter oder unbemannte Fluggeräte, die dazu konfiguriert sind, einen Schwarm nachzuahmen und dazu fähig zu sein, mit einem gemeinsamen Ziel sich zu bewegen und zu operieren. Üblicherweise wird die Schwarmbewegung, sobald sie ausgebildet ist, gegenseitig und automatisch durch einen Koordinator (entweder ein Bediener oder eine automatisierte Entität selbst) koordiniert, der als „Master“ (oder „Schwarm-Master“) bezeichnet wird, wohingegen der Begriff „Slave“ oder „Schwarm-Slave“ eine durch den Master direkt gesteuerte automatisierte Entität umfasst.
Es ist vorgesehen, dass jene automatisierten Entitäten Wahrnehmungs-, Kommunikations- und Manövrierfähigkeiten besitzen; zum Beispiel kann eine solche automatisierte Entität mit mehreren Sensoren ausgerüstet sein, die Objekt-/Hindernisdetektion und Kollisionsvermeidung erlauben, - wie beispielsweise Kamera, Radar, Lidar, Infrarot, Ultraschall usw. Zusätzlich sind Ortsbestimmungsmittel (zum Beispiel GNSS-Sensoren) bereitgestellt; Funktionen, wie beispielsweise Fahrzeugbewegung (oder Flug für unbemannte Fluggeräte), werden durch Software gesteuert (oder programmiert), z. B. Drive-by-Wire-System. Weiterhin kann dieselbe Schwarmentität unter Verwendung ihrer Bordkommunikationseinheit kommunizieren, die verschiedene Funktechnologien unterstützt, z. B. Funk, ZigBee, Bluetooth, WLAN, Ultrabreitband, Vorrichtung-zu-Vorrichtung, zellular oder Satellit, aber nicht auf diese beschränkt.
Verschiedene hierin beschriebene Ausführungsformen sind im Allgemeinen gerichtet auf Kommunikationstechniken zur Bildung und Selbstkoordinierung eines Schwarmes von automatisierten Entitäten, die dazu aufgefordert werden, einen gemeinsamen Auftrag zu erfüllen. Jedoch ist es als Teil der Ermöglichung einer dynamischen Schwarmbildung zwingend notwendig, dass die Kommunikation unter den automatisierten Entitäten unbehindert bleibt, ganz gleich, wie sehr sich die Hierarchie in dem Schwarm bis zur Erfüllung des anvertrauten Auftrages ändert.
Im Folgenden wird das in 1 gezeigte beispielhafte Szenario dazu verwendet, weiter zu erläutern, wie das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert.
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Szenario, wo eine beispielhafte Anzahl von sieben automatisierten Entitäten AE₁...AE₇ willkürlich über ein Operationsgebiet OA stationiert ist, das zum Beispiel eine zwei- oder dreistellige Anzahl von Hektar umfassen kann. Automatisierte Entitäten werden aktiviert und dazu aufgefordert, einen Schwarm zu bilden, dem ein Auftrag erteilt wird, oder sie können vordefinierten Schwarmregeln, aufweisend den Auftragstyp und den Arbeitsplan, folgen und in den Schwarmbildungsmodus eintreten; zwangsläufig erlaubt die anfängliche große räumliche Trennung nicht allen von ihnen, vollständig verbunden zu sein, auch wenn die direkte Kommunikation mit einer oder mehreren von ihnen möglich sein mag. Ein weiterer Punkt ist, dass, obwohl die Figuren automatisierte Entitäten, aufgestellt auf einer Draufsicht des Bodens, zeigen mögen, es möglich ist, dass automatisierte Entitäten in der Luft stationiert sind oder in großer Höhe befindliche mobile Plattformen sind, die dazu fähig sind, die Schwarmbildung aus einer höheren Perspektive zu überwachen.
Der Veranschaulichung des Erfindungsgedankens halber wird eine Begegnungszone MA innerhalb des Operationsgebietes OA gezeigt. Es sei erwähnt, dass die Begegnungszone sich irgendwo innerhalb des Operationsgebietes befinden kann, nicht notwendigerweise seiner Mitte entspricht und es möglicherweise nicht nur eine, sondern mehrere Begegnungszone gibt.
Jede automatisierte Entität AE₁, ..., AE₇ kann mit einer lokalen Karte versehen sein, die eine oder mehrere Begegnungszonen oder jeweilige Koordinaten einer oder mehrerer Begegnungszonen (z. B. GNSS-Koordinaten) aufweist. Anfänglich sind einige der automatisierten Entitäten, die sich am nächsten an der Begegnungszone MA befinden, nämlich AE₄ und AE₅, durch einen Abstand d_sep getrennt, der ihre jeweiligen Drahtloskommunikationsbereiche überschreitet. Jedoch versucht jede automatisierte Entität, unter Berücksichtigung der eigenen Kommunikationsfähigkeiten und des eigenen Kommunikationsbereiches Verbindung mit mindestens einer automatisierten Entität, die sich in der Nähe befindet, aufzunehmen. Weiterhin führt jede automatisierte Entität eine Ortsbestimmung durch und bestimmt die Entfernung oder den Weg zu der angegebenen Begegnungszone MA. Auf der Grundlage dieser Daten schätzt jede automatisierte Entität den Energieverbrauch, der erforderlich ist, um die festgelegte Begegnungszone zu erreichen.
Zum besseren Verständnis der Kommunikationsfähigkeiten von automatisierten Entitäten aus 1 zeigt 2 die jeweilige Reichweite von Drahtloskommunikationsmitteln für jede automatisierte Entität in gestrichelten Kreisen. Zum Beispiel verwenden AE₃ und AE₆ jeweils Nahkommunikationsbereiche, wohingegen AE₄ und AE₅ mit Drahtloskommunikationsmitteln höherer Reichweite ausgerüstet sind. Wie dargestellt, ist jede automatisierte Entität ein Kommunikationsknoten, aber nicht alle Knoten sind in Reichweite zueinander: Zum Beispiel sind die Entitäten AE₂ und AE₄ zur Kommunikation fähig und bilden einen ersten verbundenen Unter-Cluster K1 (begrenzt durch eine Doppelpunktlinie mit langen Strichen, die den Drahtloskommunikationsbereich von AE₄ überlappt); AE₅ und AE₆ sind zur Bildung eines zweiten verbundenen Unter-Clusters K2 fähig, der den Kommunikationsbereich von AE₅ überlappt (begrenzt durch eine Strichpunktlinie); hingegen sind AE₁, AE₃ und AE₇ isoliert und der erste und der zweite Cluster K1 und K2 sind getrennt. Diese getrennten Entitäten oder Unter-Cluster können eine optimierte Suchstrategie zur gegenseitigen Annäherung und (Neu)bildung des gesamten Schwarmes anwenden.
Gesetzt den Fall, dass die automatisierten Entitäten AE₁...AE₇ die Schaffung der dargestellten Topologie aus einer vorhergehenden Aufgabe beendet haben; um sich für den Beginn eines/einer anderen Auftrages oder Aufgabe neu zu gruppieren, müssen die Knoten einen vollständig verbundenen Cluster (neu)schaffen. Im Vergleich zu einem gewöhnlichen Ansatz, wo sich alle Schwarmentitäten standardmäßig an derselben vordefinierten Stelle treffen würden (üblicherweise in der Mitte des Operationsgebietes OA), berücksichtigt eine fortgeschrittenere Strategie zur Bildung eines vollständig verbundenen Clusters die Fähigkeiten und das Wissen der Schwarmentitäten. Daher kann eine Schwarmbildungsaufgabe auf der Grundlage vordefinierter Kriterien (z. B. Zusammensetzung des Clusters bezüglich Auftragstyp, Entitätstypen, Kommunikationsfähigkeiten, Treibstoff oder Energie individuell oder gesamt) unter Optimierungsrandbedingungen übernommen werden, wie beispielsweise: „Mindestzeit, um Schwarm zu bilden“, „Mindestenergieverbrauch, um Schwarm zu bilden“, „Mindestabstand, um Schwarm zu bilden“ usw.
Wie durch 3 dargestellt, kann jede automatisierte Entität dazu programmiert werden, ihren eigenen anfänglichen Rang innerhalb des Schwarmes zu bestimmen, ausgedrückt durch unterschiedliche Parameter: Entfernung zu der Begegnungszone, Kommunikationsfähigkeiten oder -bereich, Energiestatus oder Treibstoffreichweite, Bordrechenleistung. Wenn zum Beispiel der Rang durch die Entfernung zu der Begegnungszone ausgedrückt wird, sind die automatisierten Entitäten AE₄ und AE₅ erstrangig (übergeordneter Rang), sind AE₂ und AE₆ zweitrangig, ist AE₃ drittrangig und sind AE₁ und AE₇ viertrangig (z. B. in quantisierter Form RK1: d < 1 km, RK2: d < 2 km, RK3: d < 3 km usw.). Falls eine automatisierte Entität die Begegnungszone aufgrund anderer Beschränkungen (zum Beispiel Treibstoff- oder Energiemangel) nicht erreichen kann, wird der anfängliche geschätzte Rang auf einen untergeordneten Wert gesetzt (zum Beispiel von RK3 auf RK4 für AE₃). Mit anderen Worten bedeutet wenig Energie oder Treibstoff eine Herabsetzung im Rang. Das Gleiche gilt für die restlichen Parameter, allein oder in Kombination.
Sobald diese Daten geschätzt sind, sendet jede automatisierte Entität zumindest ihre/n eigene/n Kennung (ID), Typ (z. B. Mähdrescher oder Traktor), Energie-/Treibstoffstatus und anfänglichen Rang mittels Rundsenden und überwacht Drahtloskanäle dahingehend, ob mögliche Signale als Antwort von anderen Entitäten vorhanden sind. In Abhängigkeit von Veränderungen ihres Status (zum Beispiel ein Unfall, ein Notfall oder ein unerwartetes Versagen eines Nichtkommunikationssystems, die verhindern würden, dass die automatisierte Entität erwartungsgemäße Bewegungen oder Operationen ausführt) können den rundgesendeten Signalen zusätzliche Daten hinzugefügt werden: zum Beispiel eine Nachricht „Brauche Hilfe“, die eine Operation „Suchen und Retten“ erfordert.
Falls durch eine Entität aufgrund ihres isolierten Status (zum Beispiel der Fall von AE₁, AE₃, AE₇ in dem Szenario aus 2) keine solche Antwort innerhalb einer vorgegebenen Frist empfangen wird, bestimmen die jeweiligen Entitäten ihre eigene Schrittweite und Trajektorie zu der Begegnungszone MA hin und gehen zu einer eigenständigen Annäherung über, bei gleichzeitigem ständigen Rundsenden ihrer Anwesenheit. Möglicherweise ist es nicht erforderlich, sich zu bewegen (zum Beispiel, weil bereits innerhalb der Begegnungszone platziert) - zwingend notwendig ist es, seine Anwesenheit zu melden und sich letztendlich zu einem Schwarm zu verbinden. Falls jede automatisierte Entität Antworten von jeder anderen automatisierten Entität empfängt und die vordefinierten Kriterien für die Schwarmbildung erfüllt sind, bedeutet das, dass ein vollständig verbundener Schwarm gebildet ist. Eine Schwarm-Master-Entität, typischerweise gekennzeichnet durch Bordrechenfähigkeiten, erstellt den Auftragsplan und Arbeitspläne, die an die Schwarmmitglieder ausgegeben werden.
Im Folgenden wird der Fall beschrieben, in dem eine automatisierte Entität Signale als Antwort von mehreren anderen automatisierten Entitäten (zum Beispiel jede automatisierte Entität von den beiden Unter-Clustern K1 und K2) empfängt, aber die Schwarmbildungskriterien nicht erfüllt sind. Zum Beispiel kann die automatisierte Entität AE₂ Antwortsignale von AE₄ empfangen und zur Kommunikation mit ihr fähig sein, wobei ein Datenaustausch erfolgt; sobald die Verbindung innerhalb des Unter-Clusters K1 aufgenommen ist, werden auch die anfänglichen individuellen Ränge ausgetauscht und aktualisiert. Falls sich mehrere automatisierte Entitäten innerhalb der gleichen Entfernung zu der Begegnungszone befinden, nimmt die Entität mit dem höchsten Energie- oder Treibstoffstatus oder den höchsten Fähigkeiten die Rolle des „Kundschafters“ und ein entsprechendes Verhalten an. Weil zum Beispiel AE₄ im Vergleich zu AE₁ and AE₂ höherrangig ist, zumindest gemäß dem selbstgeschätzten anfänglichen Rang, kann AE₄ implizit die Rolle und das Verhalten des Kundschafters innerhalb des Unter-Clusters K1 annehmen, d. h., das Anführen der Annäherung an die Begegnungszone MA bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung des Unter-Clusters K1 und Suche nach anderen Entitäten, die sich dem Schwarm anschließen. Der gleiche Fall trifft auf den Unter-Cluster K2 zu, für den AE₅ die Rolle des Kundschafters übernehmen kann. Falls noch mehrere Entitäten für die Rolle des Kundschafters innerhalb desselben Unter-Clusters geeignet sind, wird der Kundschafter nach dem Zufallsprinzip bestimmt, z. B. unter Verwendung von Konkurrenzauflösungsmechanismen. Weiterhin bedeutet das Kundschafterverhalten das Wählen einer der folgenden Alternativen: a) Der Kundschafter gibt seine berechnete Schrittweite und Trajektorie nur dann aus, falls er einschätzt, dass er die Verbindung mit einem oder mehreren Folgern verliert. - niedrigstes Niveau der für die Kommunikation verwendeten Energie; b) Der Kundschafter gibt regelmäßig seine eigene berechnete Schrittweite und Trajektorie an einen oder mehrere Folger aus - mittleres Niveau des Energieverbrauches; c) Der Kundschafter berechnet regelmäßig seine eigenen Schrittweiten- und Trajektoriedaten und die des Folgers und gibt diese an den oder die Folger aus - höchster Energieverbrauch für die Berechnung aller Trajektorien und Kommunikation davon.
Weiterhin wird jede andere Entität, die mit dem jeweiligen Kundschafter verbunden ist und einen untergeordneten Rang hat, ein „Folger“. Zum Beispiel hat AE₄ den Folger AE₂; AE₆ ist der Folger von AE₅. Das Übernehmen eines solchen Verhaltens eines „Folgers“ bedeutet, dass die jeweilige automatisierte Entität die Freiheit besitzt, gemäß ihrer anfänglichen geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone zu operieren; auch kann ein Folger in Abhängigkeit von einer durch seinen jeweiligen Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie operieren und seine eigene Schrittweite und Trajektorie entsprechend aktualisieren. Falls ein Folger bestimmt, dass er aufgrund seiner beschränkten Fähigkeiten (z. B. Energie-/Treibstoffstatus) der durch den Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie nicht folgen kann, zeigt der Folger dem Kundschafter seine letzte Position an und geht in Anbetracht von Energie-/Treibstoffrandbedingungen zur Bestimmung von alternativen Trajektorien über. Zusätzlich leitet jeder Folger alle Anzeigen von letzten Positionen, empfangen von anderen Folgern, an den Kundschafter weiter.
Jeder Kundschafter AE₄ und AE₅ bestimmt seine „Suchschrittweite“ in Abhängigkeit von den/dem spezifizierten Optimierungsrandbedingungen oder -ziel der Schwarmbildung. Falls zum Beispiel das Optimierungsziel darin besteht, den Gesamtenergie- oder Treibstoffverbrauch zu minimieren, bis die Schwarmbildung erfolgt ist, kann es sein, dass der jeweilige Kundschafter sich nur so weit bewegt, wie es der Kommunikationsbereich zu seinen nächstgelegenen Folgern erlaubt, und die anderen Schwarmentitäten anweist, entsprechend zu folgen, aber nur in dem zur Aufrechterhaltung der Konnektivität notwendigen Maße. Dafür kann der Kundschafter die Entfernung zu anderen antwortenden Entitäten schätzen, zum Beispiel auf der Grundlage der Signalstärke der Antwort oder der Zeitdifferenz zwischen zwei nachfolgenden Signalen. An Stelle einer geschätzten Entfernung auf der Grundlage von Funksignalentfernungsmessung zwischen Schwarmentitäten könnte die Qualität der Drahtloskommunikation berücksichtigt werden. Somit wird die „Suchlast“ unter den verbundenen Schwarmentitäten aufgeteilt.
4 stellt eine weitere dynamische Bewegung der automatisierten Entitäten mit aktualisierten Rängen dar, wie sie sich der Begegnungszone weiter annähern. Die anfänglich isolierte automatisierte Entität AE₃, die ihrer eigenen geplanten Annäherung an die Begegnungszone MA folgt, steht kurz davor, sich mit dem Unter-Cluster K1 zu verbinden. Sobald ihre Daten ihre gemeinschaftlichen Daten sind (als Kennungen, Ränge, Treibstoff- oder Energiestatus, Typ und andere derartige Eigenschaften), steht eine Neubewertung ihrer jeweiligen anfänglichen Ränge an. Das Aktualisieren der individuellen Ränge für zwei oder mehr automatisierte Entitäten mit ähnlichen Rängen, die sich treffen, bedeutet, dass sie ihre jeweiligen Fähigkeiten vergleichen, wobei der Entität mit höheren Fähigkeiten ein höherer Rang zugewiesen wird. Zum Beispiel ist der aktualisierte Rang RK2 der anfänglichen isolierten automatisierten Entität AE₁ nun höher gestellt als der anfängliche Rang RK4 und höher gestellt als der anfängliche Rang RK3 einer anderen verbundenen Entität, nämlich AE₂; das Gleiche gilt für AE₇, die in diesem Moment von RK4 auf RK3 hochgestuft wird. Außerdem, falls ein Kundschafter einschätzt, dass er möglicherweise die Verbindung mit seinem/seinen nächstgelegenen Folger/n verliert, wenn er sich gemäß der aktualisierten Schrittweite und Trajektorie bewegt, lässt der jeweilige Kundschafter seine Folger an der jeweiligen aktualisierten Trajektorie und Schrittweite teilhaben. Somit sind selbst in der Situation, in der der jeweilige Kundschafter den Kommunikationsbereich mit einem oder mehreren seiner Folger verlässt, die rundgesendeten Daten (eigene/r Kennung, Typ, Treibstoff-/Energiestatus, Rang, plus empfangene ähnliche Daten von jeweiligen Folgern, zusätzlich zu der aktualisierten Schrittweite und geplanten Trajektorie) nicht verloren gegangen, können die jeweiligen Folger die Daten des Kundschafters immer noch verwenden und weiterleiten oder weiterübertragen, so dass alle zuvor verbundenen Folger unter Berücksichtigung ihrer eigenen Fähigkeiten (z. B. Energie-/Treibstoffstatus) dem Kundschafter entsprechend folgen können.
5 zeigt weiter das dynamische Voranschreiten in dem in 4 erörterten Szenario, veranschaulichend die jeweiligen Kommunikationsbereiche für jede beteiligte automatisierte Entität.
Sobald die jeweiligen Kundschafter AE₄ und AE₅ einander entdecken, verbinden sie sich selbst sowie die zuvor getrennten Unter-Cluster K1 und K2. Sobald zwei Kundschafter sich innerhalb eines Kommunikationsbereiches befinden, tauschen sie Informationen über ihre Folger aus, z. B. ihre/n Anzahl, Ränge, Treibstoff- oder Energiestatus, und Eigenschaften (Fahrzeugtypkennungen) von Schwarmentitäten. Ferner prüfen sie, ob Schwarmbildungskriterien erfüllt sind. Wenn dem so ist, wird eine Anzeige der Fertigstellung der Schwarmbildung rundgesendet und die vorhergesehene Master-Entität informiert und dazu angestoßen, Schwarmoperationen zu verwalten, z. B. die Erstellung und Verteilung der Auftragskonfiguration und von damit verbundenen Arbeitsplänen. Anderenfalls aktualisieren die beiden Kundschafter ihre Ränge unter Berücksichtigung der ausgetauschten Daten, ihrer individuellen Fähigkeiten sowie von vordefinierten Kundschafterregeln mit dem Ziel der Bestimmung eines neuen Kundschafters. Zum Beispiel können vordefinierte Kundschafterregeln einen ersten Kundschafter, der die Begegnungszone erreicht, anweisen, an einer vordefinierten Stelle auf die Ankunft eines weiteren oder weiterer Kundschafter zu warten und regelmäßig Entdeckungsbakensignale auszusenden.
6 stellt den Moment dar, in dem die Kundschafter die Begegnungszone erreichen und vollständig verbunden werden. Falls bestimmt wird, dass eine ausreichende Anzahl von Schwarmknoten für die Ausführung des beabsichtigten Auftrages vorhanden ist (d. h., der Schwarm ist sowohl fertiggestellt als auch vollständig verbunden), melden die Kundschafter das dem vorhergesehenen Schwarm-Master-Fahrzeug, das das Konfigurieren und Verteilen der Auftragskonfiguration und von damit verbundenen Aufgaben leitet. Anderenfalls können die Kundschafter in der Mitte bleiben und auf die Ankunft weiterer Kundschafter/Knoten warten.
7 zeigt eine mögliche Bodentopologie eines vollständig verbundenen Schwarmes, verteilt an zwei Begegnungszonen und unterstützt durch in der Luft befindliche Entitäten. In Anbetracht der durch einen vollständig verbundenen Schwarm K verliehenen Flexibilität ist es möglich, Schwarmentitäten für verschiedene durch den Schwarm zu erledigende Unteraufgaben zu gruppieren, ohne die Treibstoff-/Energieoptimierung zu beeinträchtigen. Nehmen wir zum Beispiel an, dass die automatisierten Entitäten AE₁-AE₃ den Boden vorbereiten; nach ihnen folgen die automatisierten Entitäten AE₄ und AE₅ mit Pflanzarbeiten; zuletzt schließen die automatisierten Entitäten AE₆ und AE₇ den Auftrag ab, indem sie Dünger ausbringen. Das Gleiche gilt für die Gruppe AE_1' - AE_7'. Anfänglich war der Trennungsabstand zwischen jeweiligen automatisierten Entitäten, die zur Bildung eines Schwarmes zusammengerufen wurden, größer als ihr jeweiliger Drahtloskommunikationsbereich. Mehrere Begegnungszonen (MA1, MA2) sind für Unter-Cluster von verbundenen Entitäten vorgesehen: Zum Beispiel erhalten AE₁-AE₇ eine erste Begegnungszone MA1, die sich an einem äußersten Ende des Operationsgebietes befindet; AE_1'-AE_7' erhalten eine zweite Begegnungszone MA2, die eine andere als die erste Begegnungszone ist. Solche Begegnungszonendefinitionen können Teil der Auftragskonfiguration, erstellt und verteilt durch die Schwarm-Master-Entität, oder Teil von vordefinierten Auftragsregeln sein. Ferner kann man sich vorstellen, dass in der Luft befindliche Entitäten (zum Beispiel eine Drohne oder eine in großer Höhe befindliche mobile Plattform) AE₀ und AE_0' die Ortsbestimmung von Schwarmknoten unterstützen und direkt kommunizieren und die Schwarmkundschafter und/oder automatisierten Entitäten dahingehend anweisen, wohin sie sich zum Zwecke der Schwarmbildung bewegen sollen.
8 zeigt die Drohne AE₀ als Teil eines vollständig verbundenen Netzes der automatisierten Entitäten AE_i, AE_i', i=1...7, aus 7. AE_1' AE_7', AE₁, AE₂ befinden sich innerhalb des Kommunikationsbereiches von AE_0' ausgedrückt durch eine Entfernung d_com.
Um ihre Schwarmbildung zu optimieren, die festgelegten Begegnungszonen unter minimalem Verbrauch von Treibstoff oder Energie rechtzeitig zu erreichen, kann mindestens eine automatisierte Entität aus jeder erwähnten Gruppe die Rolle des Kundschafters bei der Suche nach weiteren Entitäten, mit denen ein Zusammenschluss möglich ist, übernehmen. Der Veranschaulichung halber nehmen wir an, dass anfänglich AE₀ in Reichweite von AE_1' AE_7', AE₁ und AE₂ ist; AE_0' ist in Reichweite von AE_3' - AE_5'. Auf der Geländeoberfläche sind AE_i, i=1...7, zu einem einzigen Cluster K verbunden, ebenso wie AE_i', i'=1 ...7. Sobald die Schwarmbildung ausgelöst ist, bewertet jede beteiligte Entität zuerst ihren eigenen anfänglichen Rang in Anbetracht von eigenen Kommunikations- und Nichtkommunikationsfähigkeiten, einschließlich AE_0' AE_0'. In diesem Zusammenhang ist es, da die in der Luft befindlichen Entitäten AE_0' AE_0' einen umfassenden Überblick über das Operationsgebiet OA haben könnten, möglich, jeweils die Rolle des Kundschafters zu übernehmen und die Annäherung an jeweilige Begegnungszonen auf die bereits beschriebene Weise zu ermöglichen.
Allerdings ist die Schwarmbildung nicht fertiggestellt, solange Schwarmbildungskriterien nicht erfüllt sind (zum Beispiel fehlt eine der Pflanzentitäten an der zweiten Begegnungszone), selbst wenn alle automatisierten Entitäten verbunden sind. Jedoch kann eine solche fehlende Entität innerhalb eines vollständig verbundenen Clusters K leicht detektiert werden, ohne dass es notwendig ist, sich in Richtung einer einzigen Begegnungszone und zurück in Richtung unterschiedlicher Begegnungszonen für unterschiedliche unterverbundene Cluster zu bewegen.
9 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren 100 zur verteilten Bildung eines Schwarmes von automatisierten Entitäten bereitgestellt. Eine Mehrzahl von automatisierten Entitäten wird anfänglich über ein Operationsgebiet stationiert; mindestens eine automatisierte Entität ist dazu fähig, drahtlos eine Verbindung mit mindestens einer anderen automatisierten Entität aus der Mehrzahl von automatisierten Entitäten herzustellen. Eine oder mehrere Begegnungszonen ist/sind jeder automatisierten Entität, die dazu aufgefordert ist, den Schwarm zu bilden, im Voraus bekannt. Sobald die Schwarmbildung ausgelöst ist (Start), umfasst das Verfahren Folgendes:

Schritt 1: Bewerten, durch jede automatisierte Entität, eines anfänglichen individuellen Ranges in Anbetracht von eigenen Kommunikations- und Nichtkommunikationsfähigkeiten, und Erzeugen einer individuellen geplanten Strategie zur Erreichung einer Begegnungszone unter individuellen Optimierungsrandbedingungen.
Schritt 2: Kommunizieren, durch jede automatisierte Entität, der Daten für bewertete anfängliche Ränge und Fähigkeiten.
Schritt 3: In Abhängigkeit von den von antwortenden automatisierten Entitäten empfangenen Daten für anfängliche Ränge und Fähigkeiten, Aufnehmen von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Aktualisieren des anfänglichen individuellen Ranges und der geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung mit den antwortenden automatisierten Entitäten unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung.

Einige Ausführungsformen sehen vor, dass das Bewerten des anfänglichen individuellen Ranges das Bestimmen einer Priorität und einer Reihenfolge zur Erreichung der Begegnungszone in Anbetracht von Kommunikationsfähigkeiten, der Entfernung und der Eigenschaften des Weges zu der Begegnungszone und des geschätzten Treibstoff-/Energieverbrauches oder Zeitaufwandes bedeutet.
In einigen Ausführungsformen weisen Kommunikationsfähigkeiten den Kommunikationsbereich, die Übertragungsleistung, unterstützte Frequenzbänder und drahtlose Kommunikationstechnologien (Funk, ZigBee, Bluetooth, WLAN, Ultrabreitband, Vorrichtung-zu-Vorrichtung, zellulare oder Satellitenkommunikation) auf. Varianten, wie beispielsweise UHF/VHF, Wi-Fi, LoRa, Dedicated Short Range Communication (DSRC), sind ebenfalls mit inbegriffen.
In einigen Ausführungsformen weisen Nichtkommunikationsfähigkeiten den Typ und die Eigenschaften der automatisierten Entität, den Treibstoff- oder Energiestatus, die Bordrechenleistung auf. Zusätzlich können Fähigkeitsdaten beispielsweise folgende Daten aufweisen: die Position in Bezug auf das Operationsgebiet, die relative Orientierung in Bezug auf andere automatisierte Entitäten; Sensordaten (Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder relative Geschwindigkeit in Bezug auf andere automatisierte Entitäten) und Betriebsdaten, wie beispielsweise Funksignalumlaufzeit-Schätzungen für die Entfernungsmessung, Funkverbindungen mit anderen automatisierten Entitäten usw.
Das Erzeugen der individuellen geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone unter individuellen Optimierungsrandbedingungen bedeutet das Bestimmen der eigenen Schrittweite und/oder Trajektorie unter Berücksichtigung individueller zeitlicher, räumlicher oder Energieoptimierungsrandbedingungen und das Operieren gemäß einem Verhalten, das mit dem bewerteten anfänglichen individuellen Rang verknüpft ist, nämlich als Kundschafter oder als Folger eines Kundschafters. Außerdem bedeutet das Aktualisieren des anfänglichen individuellen Ranges das Übernehmen der Reihenfolge, der Priorität und des Verhaltens, verknüpft mit dem aktualisierten Rang. Das Aktualisieren des individuellen Ranges bedeutet ferner, dass, wenn sich zwei oder mehr automatisierte Entitäten mit ähnlichen Rängen treffen, sie ihre jeweiligen Fähigkeiten vergleichen, wobei der Entität mit höheren Fähigkeiten ein höherer Rang zugewiesen wird.
Das Übernehmen des Kundschafterverhaltens bedeutet das Bestimmen, durch jeden Kundschafter und unter Optimierungsrandbedingungen, einer aktualisierten Schrittweite und Trajektorie zu der Begegnungszone hin unter der Bedingung der Aufrechterhaltung einer Verbindung/von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Folgern. Weiterhin bedeutet das Übernehmen des Kundschafterverhaltens das Weitergeben der jeweiligen aktualisierten Trajektorie und Schrittweite an seine Folger, falls der Kundschafter einschätzt, dass er die Verbindung mit seinem/seinen nächstgelegenen Folger/n verliert, wenn er sich gemäß der aktualisierten Schrittweite und Trajektorie bewegt.
Das Übernehmen des Folgerverhaltens bedeutet, dass die automatisierte Entität in Abhängigkeit von der durch den Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie operiert, indem sie ihre eigene Schrittweite und Trajektorie entsprechend aktualisiert. Weiterhin bedeutet das Übernehmen des Folgerverhaltens, dass die automatisierte Entität dem Kundschafter ihre letzte Position anzeigt, falls sie bestimmt, dass sie aufgrund ihrer beschränkten Fähigkeiten der durch den Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie nicht folgen kann. Zusätzlich bedeutet das Übernehmen des Folgerverhaltens ferner das Weiterleiten aller Anzeigen von letzten Positionen, empfangen von anderen Folgern, an den Kundschafter.
In einigen Ausführungsformen bedeutet das Aufnehmen von Verbindungen das Herstellen von Verbindungen mit automatisierten Entitäten, erreicht direkt unter Verwendung von Unicast oder Groupcast mittels Funkverbindung, Vorrichtung-zu-Vorrichtung-Kommunikation, 5G Sidelink, Wi-Fi Direct oder Ultrabreitband, Ultra-Wideband - (UWB), Broadcast-Kommunikation mittels DSRC, LTE-V2X, NR-V2X oder GeoNetworking, oder indirekt auf Multihop-Art.
Einige Ausführungsformen können vorsehen, dass erwartet wird, dass unterschiedliche Cluster von automatisierten Entitäten unterschiedliche Begegnungszonen erreichen, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung.
Ein anderer durch die Erfindung vorgesehener Gesichtspunkt ist eine automatisierte Entität, anfänglich willkürlich stationiert über ein Operationsgebiet, und dazu aufgefordert, einen Schwarm (neu) zu bilden, um einen Auftrag auszuführen. Eine solche Entität kann eine Mehrzahl von Sensoren, Drahtloskommunikationsmittel, einen Speicher und mindestens einen Prozessor, der an den Speicher gekoppelt ist, umfassen. Der mindestens eine Prozessor ist zur Ausführung der einen oder mehreren folgenden Anweisungen konfiguriert: Bewerten eines anfänglichen individuellen Ranges, auf der Grundlage von eigenen Kommunikations- und Nichtkommunikationsfähigkeiten, und Erzeugen einer individuellen geplanten Strategie zur Erreichung einer Begegnungszone unter individuellen Optimierungsrandbedingungen; Kommunizieren der Daten für bewertete anfängliche Ränge und Fähigkeiten; in Abhängigkeit von den von antwortenden automatisierten Entitäten empfangenen Daten für anfängliche Ränge und Fähigkeiten, Aufnehmen von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Aktualisieren des individuellen Ranges und der geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung mit den antwortenden automatisierten Entitäten unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung.
Nach der Zuweisung der Kundschafterrolle berechnet eine automatisierte Entität ihre eigene Suchschrittweite und bestimmt eine Trajektorie oder einen Weg zu der Begegnungszone hin, in Abhängigkeit von der Bedingung der Aufrechterhaltung einer Verbindung/von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Folgern mit dem Ziel der Schwarmoptimierung. Das Kundschafterverhalten kann ferner eine der folgenden Alternativen umfassen: a) Der Kundschafter gibt seine berechnete Schrittweite und Trajektorie nur dann aus, falls er einschätzt, dass er die Verbindung mit einem oder mehreren Folgern verliert; b) Der Kundschafter gibt regelmäßig seine eigene berechnete Schrittweite und Trajektorie an einen oder mehrere Folger aus; c) Der Kundschafter berechnet regelmäßig seine eigenen Schrittweiten- und Trajektoriedaten und die des Folgers und gibt diese an den oder die Folger aus. Mit anderen Worten kann der Kundschafter in einigen Ausführungsformen mit dem Ziel der Schwarmoptimierung dazu fähig sein, die individuelle Folgerschrittweite und -trajektorie zu der Begegnungszone hin für jeden seiner Folger gemäß dem jeweiligen Folgerrang regelmäßig zu bestimmen und weiterhin jedem seiner Folger die jeweilige berechnete Schrittweite und Trajektorie regelmäßig mitzuteilen. In einigen Ausführungsformen könnte der Kundschafter einschätzen, dass er die Verbindung mit seinem/seinen nächstgelegenen Folger/n verliert, wenn er sich gemäß der bestimmten Schrittweite und Trajektorie bewegt; in einem solchen Fall teilt der Kundschafter Folgern seine eigene Suchschrittweite und Trajektorie mit. Die Wahl der einen oder einer anderen Alternative hängt von dem Schwarmoptimierungsziel ab, insbesondere, wenn es um den Energiestatus geht.
Nach der Zuweisung der Folgerrolle kann die automatisierte Entität gemäß der anfänglichen geplanten Schrittweite und Trajektorie operieren oder kann der durch den Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie folgen, indem sie ihre eigene Schrittweite und Trajektorie entsprechend aktualisiert. In einigen Ausführungsformen kann der Folger dem Kundschafter seine letzte Position anzeigen, falls der Folger bestimmt, dass er aufgrund seiner beschränkten Fähigkeiten der bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie nicht folgen kann. Zusätzlich kann der Folger jede Anzeige von letzten Positionen, empfangen von anderen Folgern, an den Kundschafter weiterleiten und der jeweilige Kundschafter zeichnet jede durch Folger bereitgestellte Anzeige von letzten Positionen auf.
Jede automatisierte Entität, die keine Antwort von irgendeiner anderen automatisierten Entität aus der Mehrzahl von automatisierten Entitäten empfangen hat, operiert autonom gemäß einer individuell geplanten Strategie.
Die hierin beschriebene automatisierte Entität umfasst zum Beispiel Roboter, fahrerlose Transportfahrzeuge, unbemannte und autonome Systeme, autonome Fahrzeuge, industrielle, landwirtschaftliche oder Baugeräte, unbemannte Fluggeräte, Drohnen oder in großer Höhe befindliche mobile Plattformen.
Zusätzliche potenzielle Anwendungsfälle für die Erfindung sind im Folgenden aufgeführt: landwirtschaftliche Maschinen und Roboter; Bergbau; Bau- und Straßenbauarbeiten; Umschlag von Fracht, Containern und Lieferungen durch autonome fahrerlose Transportfahrzeuge, autonomous Automated Guided Vehicles - (aAGVs).
Zusätzlich stellt die Erfindung einen Schwarm von automatisierten Entitäten bereit, wobei der Schwarm gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet wird. Die automatisierten Entitäten sind anfänglich willkürlich über ein Operationsgebiet stationiert und werden dazu aufgefordert, einen Schwarm (neu) zu bilden, um einen Auftrag auszuführen. Der Schwarm umfasst mindestens eine automatisierte Entität als Kundschafter und eine Mehrzahl von automatisierten Entitäten als Folger, wobei jede der Schwarmentitäten dazu fähig ist, sich so zu verhalten, wie es durch das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehen ist. Der Schwarm von automatisierten Entitäten kann hierin beschriebene automatisierte Entitäten umfassen, einschließlich Kombinationen daraus, wobei in der Luft befindliche Entitäten dazu fähig sind, auf dem Boden befindliche Entitäten bei der verteilten Bildung zu unterstützen. Zum Beispiel können Drohnen, in großer Höhe befindliche mobile Plattformen oder Fluggeräte dabei helfen, die automatisierten Entitäten des Schwarmes zu verbinden, wobei sie als Zwischensender für die Kommunikation oder als mobile Basisstation fungieren.
Außerdem wird ein computerlesbares Medium zur verteilten Schwarmbildung von automatisierten Entitäten und Speicherung von durch einen Computer ausführbaren Anweisungen bereitgestellt. Wie oben angemerkt, können verschiedene Funktionen oder Operationen im Zusammenhang mit dem hierin offenbarten vorliegenden Verfahren in einem oder mehreren Prozessoren oder Computersystemen, die in automatisierten Entitäten laufen, implementiert werden. Wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist, umfasst ein Universalcomputer typischerweise einen Hauptprozessor oder eine andere Verarbeitungsvorrichtung, einen internen Kommunikationsbus, verschiedene Typen von Speichern oder Speichermedien (RAM, ROM, EEPROM, Cache-Speicher, Diskettenlaufwerke usw.) zur Code- und Datenspeicherung, eine oder mehrere Netzwerkkarten oder Ports für Kommunikationszwecke. Die Software-Funktionalitäten umfassen die Programmierung, einschließlich Anweisungen oder einen ausführbaren Code sowie dazugehörige gespeicherte Daten, z. B. Dateien, verwendet für die Implementierung von verschiedenen Operationen unter Einschluss von hierin beschriebenen Operationen oder Funktionalitäten gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Software-Code kann einen Clienten oder einen Server oder Netzwerkelementfunktionen betreffen und kann durch den Universalcomputer ausführbar sein. Während des Betriebes ist, wie oben angemerkt, der Code in einem nichtflüchtigen maschinell lesbaren Speichermedium innerhalb einer Computerplattform gespeichert. Jedoch kann die Software zu einer anderen Zeit an anderen Orten gespeichert sein und/oder transportiert werden, um in ein geeignetes Universalcomputersystem zum Zwecke der Ausführung geladen zu werden. Der Software-Code für Anwendungen oder andere Programmierung, betreffend hierin offenbarte Operationen und/oder Funktionalitäten, können auch in einem Server gespeichert sein und über ein Netzwerk übertragen werden, um in Speichern eines Clienten gespeichert zu werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2018020611 A1 [0002]
US 2019124910 A1 [0002]
CN 112946766 A [0002]
US 2018217593 A1 [0002]
EP 3545381 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Schwarmbildung (100) für eine Mehrzahl von automatisierten Entitäten, anfänglich stationiert über ein Operationsgebiet, wobei mindestens eine automatisierte Entität dazu fähig ist, drahtlos eine Verbindung mit mindestens einer anderen automatisierten Entität aus der Mehrzahl von automatisierten Entitäten herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Folgendes umfasst: (S1) Bewerten, durch jede automatisierte Entität, eines anfänglichen individuellen Ranges in Anbetracht von eigenen Kommunikations- und Nichtkommunikationsfähigkeiten, und Erzeugen einer individuellen geplanten Strategie zur Erreichung einer Begegnungszone unter individuellen Optimierungsrandbedingungen, (S2) Kommunizieren, durch jede automatisierte Entität, der Daten für bewertete anfängliche Ränge und Fähigkeiten, (S3) in Abhängigkeit von den von antwortenden automatisierten Entitäten empfangenen Daten für anfängliche Ränge und Fähigkeiten, Aufnehmen von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Aktualisieren des anfänglichen individuellen Ranges und der geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung mit den antwortenden automatisierten Entitäten unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Kommunikationsfähigkeiten den Kommunikationsbereich, die Übertragungsleistung, unterstützte Frequenzbänder und drahtlose Kommunikationstechnologien, wie beispielsweise Funk, ZigBee, Bluetooth, WLAN, Ultrabreitband, Vorrichtung-zu-Vorrichtung-Kommunikation, zellulare oder Satellitenkommunikation, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Nichtkommunikationsfähigkeiten den Typ und die Eigenschaften der automatisierten Entität, den Treibstoff- oder Energiestatus, die Bordrechenleistung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei (S1) das Bewerten des anfänglichen individuellen Ranges das Bestimmen einer Priorität und einer Reihenfolge zur Erreichung der Begegnungszone in Anbetracht von Kommunikationsfähigkeiten, der Entfernung und der Eigenschaften des Weges zu der Begegnungszone und des geschätzten Treibstoff-/Energieverbrauches oder Zeitaufwandes bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei (S1) das Erzeugen der individuellen geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone unter individuellen Optimierungsrandbedingungen das Bestimmen der eigenen Schrittweite und/oder Trajektorie unter Berücksichtigung individueller zeitlicher, räumlicher oder Energieoptimierungsrandbedingungen und das Operieren gemäß einem Verhalten, das mit dem bewerteten anfänglichen individuellen Rang verknüpft ist, nämlich als Kundschafter oder als Folger eines Kundschafters, bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei (S3) das Aktualisieren des anfänglichen individuellen Ranges das Übernehmen der Reihenfolge, der Priorität und des Verhaltens, verknüpft mit dem aktualisierten Rang, bedeutet.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, wobei das Übernehmen des Kundschafterverhaltens das Bestimmen, durch jeden Kundschafter und unter Optimierungsrandbedingungen, einer aktualisierten Schrittweite und Trajektorie zu der Begegnungszone hin unter der Bedingung der Aufrechterhaltung einer Verbindung/von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Folgern bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Übernehmen des Kundschafterverhaltens ferner das Weitergeben der jeweiligen aktualisierten Trajektorie und Schrittweite an seine Folger bedeutet, falls der Kundschafter einschätzt, dass er die Verbindung mit seinem/seinen nächstgelegenen Folger/n verliert, wenn er sich gemäß der aktualisierten Schrittweite und Trajektorie bewegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Übernehmen des Kundschafterverhaltens bedeutet, dass der Kundschafter regelmäßig seine eigene berechnete Schrittweite und Trajektorie an einen oder mehrere Folger ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Übernehmen des Kundschafterverhaltens bedeutet, dass der Kundschafter regelmäßig seine eigenen Schrittweiten- und Trajektoriedaten und die des Folgers berechnet und diese an den oder die Folger ausgibt.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, wobei (S3) das Aktualisieren des individuellen Ranges ferner bedeutet, dass, wenn sich zwei oder mehr automatisierte Entitäten mit ähnlichen Rängen treffen, sie ihre jeweiligen Fähigkeiten vergleichen, wobei der Entität mit höheren Fähigkeiten ein höherer Rang zugewiesen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, wobei das Übernehmen des Folgerverhaltens bedeutet, dass die automatisierte Entität in Abhängigkeit von der durch den Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie operiert, indem sie ihre eigene Schrittweite und Trajektorie entsprechend aktualisiert.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, wobei das Übernehmen des Folgerverhaltens ferner bedeutet, dass die automatisierte Entität dem Kundschafter ihre letzte Position anzeigt, falls sie bestimmt, dass sie aufgrund ihrer beschränkten Fähigkeiten der durch den Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie nicht folgen kann.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, wobei das Übernehmen des Folgerverhaltens ferner das Weiterleiten aller Anzeigen von letzten Positionen, empfangen von anderen Folgern, an den Kundschafter bedeutet.
Verfahren nach den Ansprüchen 5, 6 und 7, wobei das Übernehmen des Kundschafterverhaltens ferner das Aufzeichnen aller Anzeigen von letzten Positionen, bereitgestellt durch Folger, bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei (S3) das Aufnehmen von Verbindungen das Herstellen von Verbindungen mit automatisierten Entitäten, erreicht direkt unter Verwendung von Unicast oder Groupcast mittels Funkverbindung, zellularer oder Satellitenkommunikation, Vorrichtung-zu-Vorrichtung-Kommunikation, 5G Sidelink, Wi-Fi Direct oder Ultrabreitband, Ultra-Wideband - (UWB), Broadcast-Kommunikation mittels DSRC, LTE-V2X, NR-V2X oder GeoNetworking, oder indirekt auf Multihop-Art, bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei erwartet wird, dass unterschiedliche Cluster von automatisierten Entitäten unterschiedliche Begegnungszonen, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung, erreichen.
Automatisierte Entität, anfänglich willkürlich stationiert über ein Operationsgebiet, und dazu aufgefordert, einen Schwarm zu bilden, wobei die Entität Folgendes umfasst: eine Mehrzahl von Sensoren, Drahtloskommunikationsmittel, durch die die automatisierte Entität dazu fähig ist, drahtlos eine Verbindung mit mindestens einer anderen automatisierten Entität aus der Mehrzahl von automatisierten Entitäten herzustellen, einen Speicher, und mindestens einen Prozessor, der an den Speicher gekoppelt ist, wobei der mindestens eine Prozessor zur Ausführung der einen oder mehreren folgenden Anweisungen konfiguriert ist: Bewerten eines anfänglichen individuellen Ranges, auf der Grundlage von eigenen Kommunikations- und Nichtkommunikationsfähigkeiten, und Erzeugen einer individuellen geplanten Strategie zur Erreichung einer Begegnungszone unter individuellen Optimierungsrandbedingungen, Kommunizieren der Daten für bewertete anfängliche Ränge und Fähigkeiten, in Abhängigkeit von den von antwortenden automatisierten Entitäten empfangenen Daten für anfängliche Ränge und Fähigkeiten, Aufnehmen von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Aktualisieren des individuellen Ranges und der geplanten Strategie zur Erreichung der Begegnungszone bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Verbindung mit den antwortenden automatisierten Entitäten unter Optimierungsrandbedingungen der Schwarmbildung.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei sie als Kundschafter ihre eigene Suchschrittweite und Trajektorie zu der Begegnungszone hin in Abhängigkeit von der Bedingung der Aufrechterhaltung einer Verbindung/von Verbindungen mit antwortenden automatisierten Entitäten und Folgern bestimmt.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei sie als Kundschafter Folgern ihre eigene Suchschrittweite und Trajektorie mitteilt, falls sie einschätzt, dass sie die Verbindung mit ihrem/ihren nächstgelegenen Folger/n verliert, wenn sie sich gemäß der bestimmten Schrittweite und Trajektorie bewegt.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei sie als Kundschafter ihre eigene berechnete Schrittweite und Trajektorie regelmäßig an einen oder mehrere Folger ausgibt.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei sie als Kundschafter regelmäßig ihre eigenen Schrittweiten- und Trajektoriedaten und die des Folgers berechnet und diese an den oder die Folger ausgibt.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei die automatisierte Entität, wenn sie keine Antwort von irgendeiner anderen automatisierten Entität aus der Mehrzahl von automatisierten Entitäten empfangen hat, autonom gemäß der individuell geplanten Strategie operiert.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei sie als Folger in Abhängigkeit von der durch den Kundschafter bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie operiert, indem sie ihre eigene Schrittweite und Trajektorie entsprechend aktualisiert.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei sie als Folger dem Kundschafter ihre letzte Position anzeigt, falls sie bestimmt, dass sie aufgrund ihrer beschränkten Fähigkeiten der bereitgestellten Schrittweite und Trajektorie nicht folgen kann.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei sie als Folger alle Anzeigen von letzten Positionen, empfangen von anderen Folgern, an den Kundschafter weiterleitet.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei sie als Kundschafter alle Anzeigen von letzten Positionen, bereitgestellt durch Folger, aufzeichnet.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei die automatisierte Entität Roboter, unbemannte und autonome Systeme, fahrerlose Transportfahrzeuge, unbemannte Fluggeräte, Drohnen oder in großer Höhe befindliche mobile Plattformen umfasst.
Automatisierte Entität nach Anspruch 18, wobei die automatisierte Entität ein Fluggerät ist, das Drahtloskommunikationsfähigkeiten im Weitbereich und Ortsbereich besitzt und als Zwischensender für die Kommunikation oder als mobile Basisstation fungiert.
Schwarm von automatisierten Entitäten, dazu aufgefordert, einen Auftrag auszuführen, wobei der Schwarm automatisierte Entitäten nach den Ansprüchen 18-29, einschließlich Kombinationen daraus, umfasst, wobei in der Luft befindliche Entitäten dazu fähig sind, auf dem Boden befindliche Entitäten bei der verteilten Schwarmbildung zu unterstützen.
Computerlesbares Medium zur verteilten Bildung von automatisierten Entitäten und Speicherung von durch einen Computer ausführbaren Anweisungen, wobei die durch einen Computer ausführbaren Anweisungen, wenn sie ausgeführt werden, bewirken, dass mindestens ein Prozessor das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-17 ausführt.