蟻群用戶界面，這是群什么鬼？

也許大家已經熟悉了現(xiàn)在的計算機的界面。通過屏幕、鍵盤、鼠標、手寫筆、觸摸屏、語言甚至?

VR、AR等設備與計算機進行溝通。但蟻群用戶界面也許大家并不太熟悉。

蟻群用戶界面^[1] 是由一些獨立運動的小型機器人組成，它們可以協(xié)同工作提供顯示信息，并能夠感知對用戶手的輸入信號。

甚至它們還可以協(xié)同來搬運桌面上的一些小型物件，敲擊鈴鐺等。

面對這群可以移動的小機器人，你拿起其中的一個，隨意的在桌面上滑動。在旁邊站成一排的機器人就自動跟蹤過來，根據(jù)第一個機器人走過的路線排成一個完整的軌跡曲線。

當所有的機器人都加入到軌跡排列之后，它們就會像 貪吃蛇^[2] 一樣隨著第一個機器人進行游動。

甚至你揪動這個隊列的中任意兩個，整個隊列就像一個有彈性的橡膠帶一樣伸縮扭動。

它們還可以組成各種時間序列的圖像，完成動態(tài)信號和演示，或者在坐標紙上進行多重散點坐標顯示。甚至，通過它們的運動，可以為動畫制作人員提供關鍵鏡頭之間的動態(tài)演示。

似乎只有這群獨立移動的機器人足夠多的，再加上足夠的想象力，使用它們可以做很多有趣的事情。

對于工程師來說，更想知道它們究竟是如何工作的？

?

Zooid是根據(jù)用戶需要定制的微型機器人，它的內部結構如下圖所示。它的體型高21毫米，直徑26毫米的圓柱體，使用3D打印制作外殼結構。每個Zooid內部安裝有100mAh的鋰聚合物電池。

使用微型電機直接帶著兩個主動輪來驅動機器人運動。為了減少機器人的直徑，兩個輪子并不是共軸的，運行起來并不會使得機器人旋轉。

它的外部安裝有電容感應電極，通過 AT42QT1070^[3] 電容觸摸傳感器芯片來感知用戶觸碰。

在PCB板上集成有48MHz ARM MCU（STM32F051C8）完成機器人的控制、以及通過2.4GHz nRF24L01+芯片與主控計算機進行通訊。

為了能夠完成定位，在PCB板上還安裝有兩個光電管來識別投影跟蹤系統(tǒng)發(fā)射的不同亮光。中央固定一個彩色LED用于表明機器人身份，作為系統(tǒng)反饋。

Zooid在靜止時，耗電40mA，運動時消耗100mA電流。在100mAh的電池供電下，可以連續(xù)運動1個小時，如果有靜止時間段，可以工作更長的時間。

?

為了保證整群機器人準確完成任務，組成精確的隊列，需要每個Zooid可以實時感知自己當前的精確2D位置，并按照指令進行移動。在演示桌面上面，使用TI公司的DLP Light Crafter 投影儀發(fā)送的每秒3000幀編碼圖像。每個Zooid機器人通過頂部電路板上的兩個光電管接收的信號序列編碼來確定兩點的位置。進而可以計算出機器人的中心位置和方向了。

每個光電管的信號通過41個采樣信號序列編碼來得到對應的位置，因此位置更新速率就是73Hz（3000Hz / 41），這可以滿足機器人在桌面上以44厘米/秒的速度行進控制需要。

根據(jù)DLP投影儀的像素和投影面積，在投影的1米×0.63米的范圍內，可以達到水平1.15mm，垂直1.12mm的定位精度。

那么每個Zooid如何知道自己去哪兒呢? 這是通過電路板上的nRF24L01+無線通訊芯片與外部的無線接收器進行通訊的。無線接收器所使用的控制板包括有Teensy 3.1和Arduino Pro mini。

下圖給出了系統(tǒng)軟件結構。頂層應用軟件根據(jù)需要確定每個機器人的目標位置、方向以及顯示的顏色。然后通過仿真層對所有機器人進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，在避免相互之間碰撞的前提下使得機器人移動的距離最短。

在服務器層用于機器人運動指令的發(fā)送，接收機器人返回來的位置，方向以及是否用戶觸摸燈信息。這些交互信息通過無線通訊模塊與每個機器人進行通信。

?

現(xiàn)在這款開源Zooids蜂群用戶界面，還有很多需要進一步發(fā)展改進的方面。

1. 最主要的一個限制就是這款機器人還不屬于全向自由運動機器人。在拐彎時，它需要向汽車一樣有一個拐彎半徑。這就限制了它在小范圍內運行的自由度；
2. 它在感知用戶輸入時還僅僅依靠觸摸傳感器。當多個機器人被拿起時，之后被直接接觸的機器人才能夠感知被觸摸。其它沒有白直接觸碰的就無法得到正確的輸入信號；
3. 在機器人等位方面還需要使用外部的DLP投影，不僅增加了系統(tǒng)成本，而且限制系統(tǒng)所使用的范圍，并對環(huán)境光線有要求。
4. 這款Zooid中沒有安裝無線充電電路，對他們充電還需要手工逐個進行。

當然，它們還不足夠小，這樣在完成顯示功能時，顯得過于粗糙。

也許上述各種限制，在不久的將來會逐步得到改善。

?

參考資料