I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   6 Dec em b er   201 7 ,   p p 3 7 1 1 ~ 3 7 2 6   I SS N:  2 0 8 8 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ec e. v 7 i6 . p p 3 7 1 1 - 3 726          3711       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   Intellig ent  Robo ti cs Na v ig a tion Sy ste m Proble m s,     M ethods ,   a nd  Alg o rith m       Siti  Nur m a in i 1 B a m ba ng   T u t uk o 2   1, 2   Ro b o t ic an d   C o n tro Re se a rc h   L a b .   F a c u lt y   o f   Co m p u ter S c ien c e ,   Un iv e rsitas   S riw ij a y a ,   In d o n e si a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l   20 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Sep   14 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Sep   30 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e se o u t   to   su p p l e m e n n e w   stu d ies   w it h   a   b rief   a n d   c o m p re h e n sib le  re v ie w   o f   th e   a d v a n c e d   d e v e lo p m e n in   th e   a re a   o f   th e   n a v ig a ti o n   sy st e m ,   sta rti n g   f ro m   a   sin g le  ro b o t,   m u lt i - ro b o t,   a n d   sw a r m   ro b o ts  f ro m   a   p a rti c u lar  p e rsp e c ti v e   b y   ta k in g   in sig h ts  f ro m   th e se   b io l o g ica s y ste m s.  T h e   in sp iratio n   is  tak e n   f ro m   n a tu re   b y   o b se rv in g   th e   h u m a n   a n d   t h e   so c ial  a n i m a th a is  b e li e v e d   to   b e   v e r y   b e n e f icia f o th is  p u rp o se .   T h e   in telli g e n n a v ig a ti o n   sy ste m   is  d e v e lo p e d   b a se d   o n   a n   in d iv id u a l   c h a ra c teristic  o a   so c ial  a n im a b io l o g ica stru c tu re .   T h e   d isc u ss i o n   o f   th is   p a p e w il f o c u o n   h o w   si m p le  a g e n t’s  stru c tu re   u ti li z e f lex ib le  a n d   p o ten ti a o u tco m e in   o rd e to   n a v ig a te  in   a   p ro d u c ti v e   a n d   u n o rg a n ize d   su rro u n d in g .   T h e   c o m b in a ti o n   o f   th e   n a v ig a ti o n   s y ste m   a n d   b io lo g ica ll y   in sp ired   a p p ro a c h   h a a tt ra c ted   c o n sid e ra b le  a tt e n ti o n ,   w h ich   m a k e s   it   a n   im p o rtan re se a rc h   a r e a   in   th e   in telli g e n ro b o t ic  s y ste m .   Ov e r a ll ,   th is  p a p e e x p lo re th e   im p le m e n tatio n ,   w h ich   is  re su lt e d   f ro m   th e   sim u latio n   p e rf o r m e d   b y   th e   e m b o d im e n o f   ro b o ts  o p e ra ti n g   in   re a e n v iro n m e n ts .   K ey w o r d :   Nav i g atio n   I n telli g en t   P r o b lem s   Me th o d s   A l g o r ith m s   Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Sit i N u r m ai n i,    R o b o tic  an d   C o n tr o l Res ea r c h   L ab . ,   Facu lt y   o f   C o m p u ter   Scien ce ,   Un i v er s ita s   Sri w ij a y a,   J l.  R a y P ale m b an g - P r ab u m u l ih ,   KM .   3 2   I n d r alay O g a n   I li r ,   P alem b an g ,   I n d o n esi a.   E m ail: s iti n u r m ai n i @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   On o f   t h m o s t   s i g n i f ica n an d   v ital  i s s u es   i n   t h s t u d y   o f   m o b ile  r o b o r ev o lv e s   ar o u n d   t h e   n av i g atio n   s y s te m   d u to   t h n ee d   o f   clea r l y   p i n p o in ti n g   i t   in   th d es ig n   p h a s e.   I is   i m p o r tan to   n o te  th at  s ev er al  i s s u es  h a v b ee n   s o lv ed   w h ich   in cl u d p er ce p tio n ,   co g n it io n ,   ac tio n ,   h u m an - r o b o in ter ac tio n ,   a n d   co n tr o s y s te m   [ 1 ] - [ 5 ] .   I n   m o s ca s es,  th p r o b le m s   ca n   b e asil y   o v er co m w h e n   m o b il r o b o is   r estricte d   to   f in ite  d o m ai n ,   f o r   ex a m p l e,   h o u s e,   f ac to r y ,   an d   o f f ice .   A   n u m b er   o f   ca p ab ilit ies  w h ich   in cl u d co n tr o l   ab ilit y ,   o b s tacle   a v o id in g ,   tr aj ec to r y   p la n n in g ,   an d   s af d i s t an ce   to   th g o al  ar n ee d ed   b y   m o b ile  r o b o in   o r d er   to   p r o d u ce   ex ce lle n t   n a v ig a tio n .   E ac h   n a v i g atio n   s y s te m   m u s t   ad d r ess   t h e   af o r e m en tio n ed   co m m o n   d esig n s   to   en s u r th a all  tas k s   ca n   b ac co m p li s h ed .   T h co n v en tio n al  co n tr o s y s te m s   h a v p r o p o s ed   a   n u m b er   o f   ap p r o ac h es  to   s o lv th ex is ti n g   ch alle n g es,  w h i ch   in v o lv u s i n g   r ig id   m o d el  b u w it h   s ev er a l   co n s tr ain ts   [ 6 ] - [ 9 ] .   Ho w ev er ,   th m o b ile  r o b o in ter ac tio n s   a m o n g   s e n s o r ,   ac tu ato r ,   an d   i ts   en v ir o n m en ar k n o w n   to   b p r o b lem atic  to   e x p r ess   i n   m a th e m atica m o d el s   [ 1 0 ] - [ 1 4 ] .   T h er ef o r e,   it  is   b e liev ed   to   r estric th e   r elev an ce   o f   s u c h   co n tr o s y s te m   d esi g n   i n   th i s   ap p licatio n   [ 1 5 ] , [ 1 6 ] .   I n   ad d itio n ,   th co n v e n tio n al  co n tr o ap p r o ac h es  ten d   to   d is in teg r at m o b ile  r o b o t   b eh av io r s   in to   s en s m o d el - p lan - ac t y p [ 1 7 ] .   Su b s eq u en tl y ,   it  is   d is co v er ed   to   p r o d u ce   co m p l ex   eq u at io n s   f o r   b o th   en v i r o n m e n tal  m ap p i n g   a n d   h ar d   co m p u tatio n .   A p ar t   f r o m   t h at,   th m o d el  is   o n l y   a p p r o p r iate  f o r   ce r tain   t y p o f   en v ir o n m e n tal  s itu at io n .   T h er ef o r e,   u n ce r tai n t y   an d   i m p r ec is io n   o f   t h s u r r o u n d in g   m a y   ca u s t h m o b ile  r o b o to   b e   s tack ed   at  lo ca m i n i m u m   o r   s to p p ed   at  o n p o in t.   Mo r eo v er ,   th co m p lex i t y   o f   m o b ile  r o b o t b eh a v io r   b ec o m es  g r ea ter   w h e n   n u m b er   o f   tas k s   ar ad d ed   to   th co n tr o l s y s te m   f o r   th p u r p o s o f   ac h ie v in g   t h tar g et  [ 1 8 ] - [ 2 0 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 711     3 726   3712   T h n av i g atio n   s y s te m   is   co n s tr u cted   b ased   o n   lear n i n g   tec h n iq u es  t h at  p r o v id th co m p eten ce   to   r ea s o n   u n d er   en v ir o n m e n tal  u n ce r tai n t y   as  w el as  to   o b s er v f r o m   d i f f er en e x p o s u r e,   w h ic h   is   v er y   n ec es s ar y   to   en s u r th at  t h r o b o ca n   b c o n tr o lled   an d   ab le  to   p r o d u ce   g o o d   p er f o r m an ce .   Ho w e v er ,   th e   d esig n   w ill  b d if f ic u lt  to   b u il d   as  r esu lt  o f   s ev er al  f ac to r s   s u ch   a s   in h er en u n ce r tai n tie s   in   th u n o r g a n ized   s u r r o u n d in g ,   in co m p lete  p er ce p tu al  in f o r m at io n ,   an d   i m p r ec is ac tu ato r s .   I n   l ig h o f   t h is ,   t h n a v i g atio n   s y s te m   d esi g n   s h o u ld   b a b le  to   d o   th f o llo w i n g s ( i)   r ea ct  ef f ec ti v el y   to   u n p r ed ictab le  s itu atio n s   i m m ed iatel y   a f ter   th e y   h ap p en ,   ( ii)  co n s id er   m u ltip le  co n c u r r en r eq u ir e m e n t s   in   th p r o ce s s ,   an d   ( iii)  r ea ch   th tar g et  b ased   o n   s p ec if icatio n   o b j ec t.   Mo s o f   th estab lis h ed   w o r k s   m ai n l y   co n s id e r ed   n av ig atio n   task s   o n l y   f o r   s i n g le  r o b o t.  Me an w h ile,   a   g r ea g r o w in g   in ter e s h as  b ee n   o b s er v ed   i n   co o p er ativ ap p r o ac h es,   w h ic h   m a k es  co m m u n icatio n   as  o n o f   th v i tal  f o c u s   [ 2 1 ] - [ 2 3 ] .   I n   s o m e n v ir o n m e n tal  s it u atio n s ,   t h e   n av i g atio n   f u n ctio n s   ar ex tr e m el y   d i f f ic u lt  to   b o v er co m e   u s i n g   s in g le  r o b o t.  T h lar g ar ea   f o r   s en s in g   ten d s   to   b th r ea s o n   t h at  ca u s e s   th e n v ir o n m e n tal  co n d itio n   to   p o s p o s t - d is as t er   r elief   an d   tar g et  s ea r ch i n g   i n   m ilit ar y   ap p licat io n s .   Hen ce ,   s i n g le  r o b o m u s b d esig n ed   w ith   p o w e r f u s tr u ct u r es  an d   h ar d w ar eq u ip m e n to   e n s u r e   all  th f u n ctio n s   ar in   o r d er   [ 2 4 ] .   I n   th is   ca s e,   m o r ex p en s i v d esi g n   co s t,  co m p u tatio n al  r eso u r ce s ,   an d   lar g er   m e m o r y   ar h ig h l y   r eq u ir ed   to   o v er co m t h is   is s u e.   Ho w ev er ,   i is   i m p o r tan t to   n o te  t h at  i f   th r o b o t f ails ,   th w h o le  s y s te m   m a y   b af f ec ted .     C u r r en tl y ,   th s i m p lest   f o r m   o f   g r o u p   o f   r o b o ts   b ase d   o n   n et w o r k   d ev elo p ed   b y   m a n y   r esear ch er s   [ 2 5 ] - [ 2 8 ] .   T h r o b o tics   s y s te m   i s   m ad to   f u n c tio n   b ased   o n   co o p er ativ e   ap p r o ac h   in   o r d e r   to   co m m u n icate   w it h   ea c h   o t h er   f o r   t h p u r p o s o f   co n d u ct in g   ta s k s   t h at   ar d if f ic u lt   to   b e   p er f o r m ed   o n   t h eir   o w n .   Gen er all y ,   t h is   p ar tic u la r   j o in s y s te m   i s   k n o w n   a s   s war m s   r o b o ts   w h ic h   ar m ad to   f u n ctio n   b ased   o n   th eir   b io lo g ical   co u n ter p ar ts   an d   w it h   s y s te m   s o lu tio n   t h at  is   h i g h l y   d ep en d en t   o n   th r ee   ch ar ac ter is tic s ,   n a m e l y   s el f - o r g a n izatio n ,   s el f - ad ap tiv e n es s ,   a n d   e m er g e n ce   [ 2 9 ] - [ 3 1 ] .   T h ch ar ac ter is tic s   ar b ased   o n   t h e   f ac t h at  t h s w ar m s   o r g a n iz atio n   o r ig i n ates  “f r o m   w it h in   th e   s y s te m   n o i m p o s ed   f r o m   o u ts id o r   it  co m e s   f r o m   lo ca in ter ac tio n s   b et w e en   in d i v id u al  r o b o in   d ec e n tr alize d   w a y ”  [ 2 9 ] , [ 3 0 ] .   I n   s o m ca s es,  th e y   ar e   r eq u ir ed   to   m o v b et w ee n   t wo   p lace s   w h er eb y   t h co llecti v n a v i g atio n   h as  m ad it  p o s s ib le  to   f u n ctio n   [ 2 2 ] , [ 2 9 ] - [ 3 3 ] .   T h s w ar m   f o r m atio n   m u s b co n tr o lled   d u to   th f ac t s   t h at  al r o b o ts   w o r k   in   p ar ticu lar   g r o u p   w ith   o n tar g et.   T h s w ar m   f o r m atio n   co n tr o is   p er f o r m ed   w ith o u d esi g n ated   lead er h en ce ,   th e   co n tr o an d   co m m u n ica tio n   s y s te m   ar h i g h l y   d esira b le.   On   to p   o f   th at,   th s w ar m   r o b o ts   ar s im p le   h ar d w ar e,   w h ic h   ex p lai n s   t h e   li m i ted   co m p u ta tio n al  co s t.  A ll   r eq u ir e m e n t s   ar v er y   v it al  p ar a m eter s   i n   t h d esig n   o f   th r o b o t.  Ho w e v er ,   it  n ee d s   to   b k n o w n   th at  t h i s   is   v er y   d i f f icu lt  to   co m p u te  in   r ea lit y   a n d   m a y   n o b r elev an ce   to   all  p o s s ib le  s u r r o u n d i n g s .   T h er ef o r e,   th ese  ch alle n g e s   m u s b o v er co m b y   d ev elo p in g   s i m p le  an d   r o b u s alg o r it h m s   f o r   th p u r p o s o f   co n tr o lli n g   a n d   co o r d in atin g   th e s v e r y   lar g g r o u p s   o f   r o b o ts .   T h o v er all  s tr u ct u r o f   t h is   p ap er   ta k es  th e   f o r m   o f   f iv e   s ec tio n s   d e s cr ib ed   as  f o llo w s Sectio n   2   o f f er s   b r ie f   o v er v ie w   o f   t h m o b ile  r o b o n a v ig a tio n   i s s u e.   Sectio n   3   is   co n ce r n ed   w it h   t h co n ci s m et h o d s   u s ed   b y   th n av i g atio n   s y s te m .   Sectio n   4   p r esen ts   r ev i e w   o n   s i n g le   r o b o co m p ar to   s w ar m   r o b o ts   n av i g atio n   alg o r it h m .   Fi n all y ,   Sectio n   5   p r o v id es a   co n cise s u m m ar y   o f   t h en tire   f i n d in g s   o f   th i s   s t u d y .       2.   M O B I L E   RO B O T   NAVI G A T I O P RO B L E M S   T h t y p o f   r o b o in   th e   s t u d y   o f   n av i g atio n   ca n   b d iv id ed   in to   t h r ee   s y s te m s ,   n a m e l y   s i n g le   r o b o s y s te m ,   m u lti - r o b o ts   s y s te m ,   an d   s w ar m   r o b o ts   s y s te m .   Ge n er all y ,   t h d if f er en ce s   b et w e en   m u lti - r o b o an d   s w ar m   r o b o ts   r ely   o n   t h f o r m   an d   task   o f   p ar ticu lar   s y s te m .   Mu lt i - r o b o is   d esig n ated   as  s m all  n u m b er   o f   r o b o ts ,   w h ic h   h a v d if f er en s h ap es  a n d   f u n ctio n s   t h at  ar a b le  to   w o r k   to g et h er   to   ac h iev th s a m e   g o al.   O n   th o th er   h a n d ,   s w ar m   r o b o ts   ar d escr ib ed   as  s u b s tan tial  a m o u n o f   s i m p le  r o b o ts   th at  h av s i m ilar   s h ap e   an d   f u n ctio n .   Mo s t   o f   th e   ti m e,   th e y   w o r k   to g eth er   u s in g   lo ca co m m u n icat io n   a n d   co o r d in atio n   in   o r d er   to   ac co m p li s h   t h ta s k s .   I n   t h i s   c ase,   n a v ig at io n   s y s te m   b u ilt   in   al m o b ile  r o b o ts   h as  a llo wed   th e m   to   ex p lo it  th s e n s i n g ,   p r o ce s s in g ,   an d   a ctu ati n g   ca p ab ilit ie s   i n   m a k i n g   co n tr o d ec is io n .   I n   th i s   s y s te m ,   it   i s   r eq u ir ed   f o r   th m o b ile  r o b o t o   f in d   r o u te  w ith   le s s   r is k   o f   co llid in g   i n   o r d er   t o   tr av el  f r o m   s tar tin g   p o in to   an o th er   u n t il  t h tar g et  d es tin atio n   is   r ea c h ed ,   w h ic h   r e m a i n s   s tatic  i n   t h ca s o f   s i n g le   r o b o n av ig atio n .   Ho w e v er ,   t h o b s tacle s   i n   m u l ti - r o b o t a n d   s w ar m   r o b o ts   ar i m p le m en ted   to   b s ta tic  a n d   d y n a m ic  in   o r d er   to   ac co u n f o r   t h ca s o f   th e   r o b o ts   m o v i n g   to g e th er   i n   a n   u n f a m i liar   s u r r o u n d i n g   to   f i n d   th e   tar g e t.  T h is   f u r t h er   s u g g e s ts   t h at  t h r o b o ca n   b d y n a m ic  o b s tacle .   T h er ef o r e,   th i m p le m en tatio n   o f   all  s i n g le  r o b o t,   m u lti - r o b o ts ,   an d   s w ar m   r o b o ts   s h o u ld   b ca p a b le  o f   m o v i n g   in   r ea l - ti m tr aj ec to r y   w it h   m a n y   d if f ic u ltie s   ar is in g   f r o m   th s u r r o u n d in g   to   ar r iv at  th s p ec if ic  tar g et.   Ho w e v er ,   s e v er al  co n s id er atio n s   r elate d   to   s ev er al  is s u e s   co n ce r n i n g   th i m p le m e n tat io n ,   u n ce r tain ties ,   i m p r ec is io n ,   a n d   in co m p lete  i n f o r m atio n   i n   r ea l - w o r ld   u n o r g an ized   s u r r o u n d in g .   I n   th n a v i g atio n   p r o ce s s ,   t h p er ce p tio n   an d   co g n i tio n   ar t h cr u cial   tas k s   in   ac q u ir in g   k n o w led g e   ab o u th e n v i r o n m en as  w e l as  h o w   to   ex ec u te  t h co n tr o co m m a n d s   p er f o r m ed   th r o u g h   s ev er al  s en s o r s   an d   ac t u ato r s .   T h n a v i g atio n al  s y s te m   o f   m o b ile  r o b o ca n   b d iv id ed   i n to   f o u r   t y p e s   b ased   o n   t h Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       I n tellig en t R o b o tics   N a vig a tio n   S ystem:   P r o b lems,  Meth o d s ,   a n d   A l g o r ith ( S iti N u r ma in i )   3713   in ter ac tio n   b et w ee n   t h p er ce p tio n   in   t h s e n s o r s   p r o ce s s   an d   co n t r o p r o ce s s   in   t h ac t u ato r s   d escr ib ed   as   f o llo w s m ap - b ased   n a v i g atio n ,   b eh a v io r - b ased   n av i g atio n ,   lear n i n g   b a s ed   n a v i g atio n ,   a n d   co m m u n icat io n - b ased   n av i g atio n .   A ll  t h n av i g atio n al   tas k s ,   b eh a v io r s ,   a n d   t y p es  o f   th r o b o u s ed   i n   t h n av i g atio n   s y s te m   p r esen ted   in   Fi g u r 1   ar f u r th er   d escr ib ed   in   th is   s ec tio n .           Fig u r 1 .   Nav ig a tio n   s y s te m   b ased   o n   p er ce p tio n - ac tu a tio n       2 . 1 .   M a pp ing - ba s ed  Na v ig a t io n   T h n av ig at io n   s y s te m   w it h   en v ir o n m e n tal  m ap p in g   is   p o s s ib le  to   b e   d escr ib ed   as  c o m b in atio n   o f   th r ee   p ar a m o u n co m p eten cie s   as  f o llo w s m ap p in g ,   lo ca liza tio n ,   an d   p at h   p lan n i n g   [ 3 4 ] - [ 3 8 ] .   E n v ir o n m e n tal   m ap p in g   is   b u ilt  i n   th m o b il r o b o u s in g   m e m o r izi n g   ap p r o ac h   to   allo w   it  to   f u ll y   m o v an d   ex p lo r th en v ir o n m e n t.    I n   ad d itio n ,   th lo ca lizatio n   p r o c ess   is   u s ed   f o r   d eter m i n in g   th p r esen s p o o f   th r o b o w it h i n   th en v ir o n m e n tal  m ap p in g .   T h m ea n   o f   d ec id i n g   p ar ticu l ar   m o v e m en to   r ea ch   th g o al   u s i n g   th m ap   an d   lo ca lizatio n   p r o ce s s   i s   k n o w n   as  p ath   p lan n i n g   p r o ce s s .   A l co m p eten c ies  te n d   to   p r o v id th r o b o w it h   t h ca p ab ilit y   to   f i g u r o u t it s   c u r r en t lo ca tio n   w it h i n   it s   r e f er en c s tr u ct u r e,   w h ic h   t h en   lead s   t o   th p la n n i n g   o f   a   p ath   to   r ea c h   ce r tai n   g o al   l o ca tio n s .   O n   to p   o f   t h at,   t h e   n av i g atio n   m o d els  b ased   o n   t h is   ap p r o ac h   m u s t   co m p r o m is b et w ee n   m ap s   a n d   esti m a ted   p o s itio n   o f   t h r o b o t.  I t is  v er y   cr u cial  f o r   t h p r o ce s s   to   e n s u r t h at   th r o b o is   ab le  to   co n tr o its   ap p r o x i m ate  lo ca tio n   g iv e n   a n y   s itu a tio n   an d   s u r r o u n d i n g .   Ho w e v er ,   th er ar e   s o m d r a w b ac k s   to   s u c h   ap p r o ac h ,   w h ich   i n cl u d th f ac t h at  th ap p r o ac h   r elies  o n l y   o n   th lo ca s en s i n g   an d   en v ir o n m e n t.  Hen ce ,   it   is   v er y   n ec es s ar y   f o r   it  t o   also   b eq u ip p ed   w it h   p o w er f u s en s o r s   o r   co m b i n atio n s .   F in al l y ,   t h al g o r ith m   m u s e n s u r t h at  t h e   u n ce r tain t ies  f o r   all  s e n s o r s   ele m e n ar ab le  to   p r o d u ce   im p r ec is io n   an d   u n p r ed ictab ilit y   w h en   o p er atin g   [ 1 5 ] , [ 3 9 ] .     2 . 2 .   B eha v io r - ba s ed  Na v ig a t io n   T h er is   to tal  o f   f o u r   co m p e ten cie s   i n   b eh a v io r - b ase d   n av i g atio n o b s tacle   a v o id an ce ,   w all   f o llo w in g ,   co r r id o r   f o llo w in g ,   an d   tar g et  s ee k in g .   B eh a v i o r   in d u ce d   b y   n u m er o u s   s i m u lta n eo u s   g o als  i s   p o s s ib le  to   b s m o o t h l y   b len d ed   in to   d y n a m ic  s eq u e n ce   o f   co n tr o ac tio n .   Mo r eo v er ,   t h e   n a v ig a tio n   s y s te m   d esig n   is   e x p ec ted   to   ex p r es s   ac ce p tab le  b eh av io r al  tr aits   th at  w er s et  as   th e   p o s s ib le  co n tr o ac tio n .   A p ar f r o m   t h at,   i t c a n   ca u s p o s s ib l co n f l ict  i n   t h m o v e m e n t o f   th m o b ile  r o b o t,  p ar ticu lar l y   w h e n   it  w o r k s   i n   a n   ac tu al  u n o r g a n ized   en v ir o n m en t.  B eh av io r - b ased   n a v i g atio n   ca n   b d ev elo p ed   b y   co m b i n in g   t w o   p r o ce s s es  s u c h   a s   e n v ir o n m e n tal   m ap p in g   an d   r o b o b eh av io r s .   Sp ec if icall y ,   t h m ap   r ep r es en ts   en v ir o n m e n tal  s itu a tio n ,   w h ile  th r o b o m o v is   u tili ze d   b y   its   b eh a v io r .   I n   an o t h er   s itu at io n ,   th s y s te m   s h o u ld   b ap p lie d   in   t w o   co n d itio n s   i f   o n l y   o n o f   th t w o   p r o ce s s es  i s   u s ed ,   w h ic h   h i g h l y   d ep en d s   o n   th i m p le m e n tat io n   an d   in ter ac tio n   w it h   o th er   co n cu r r en r o b o b eh av io r s .   Ho w e v er ,   t w o   m aj o r   p r o b lem s   ar b o u n d   to   o cc u r   w h e n   th is   p ar ticu lar   ap p r o ac h   i s   e m p lo y ed ( i)   th e   co m b i n atio n   o f   t w o   s i m p le  b e h av io r s   in   f o r m in g   co m p lex   o n e,   an d   ( ii)  th in te g r atio n   o f   m o r th an   t w o   b eh a v io r s .     2 . 3 .   L ea rning - ba s ed  Na v ig a t io n   T h co n v en t io n al  m et h o d s   m a k it  n ec es s ar y   f o r   th r o b o to   b d esig n ed   i n   p o w er f u m a n n er   w i th   th i n cl u s io n   o f   s e v er al  s e n s o r s ,   ac tu ato r s ,   a n d   co n tr o ller   w i t h o u h a v i n g   to   co n s id er   t h tr o u b les  t h at  m a y   b e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 711     3 726   3714   ca u s ed   b y   th s u r r o u n d in g .   Hen ce ,   s ev er al  m eth o d s   ca n   b ad o p ted   b y   th n av ig atio n   s y s te m   in   o v er co m i n g   th ese  c h allen g e s   an d   is s u es.  P r ev io u s l y   p u b li s h ed   s t u d ies  h a v p r o p o s ed   ar tif icial  in tel lig e n m et h o d s   to   s o lv e   n av i g atio n   p r o b le m ,   w h ic h   i s   r elate d   to   th e   p r o ce s s   co n d u cted   b ased   o n   lear n in g   ab ili t y .   Ho w e v er ,   s e v er al  k e y   co n ce r n s   m u s b ta k e n   i n to   ac co u n i n   o r d er   to   in cl u d ar tif icial   i n telli g e n i n   m o b il r o b o n av i g atio n ,   w h ic h   is   in co m p lete  p r o b lem s ,   i m p r ec is io n ,   i n ac cu r ate,   an d   u n ce r tain t y   co n d itio n   w h e n   th e y   i n ter ac w it h   p o s s ib le  s u r r o u n d i n g s .   T h is   p ar ticu lar   s y s te m   is   o n l y   co m p atib le  w it h   s in g le  r o b o b eh a v io r s   an d   m u lti  r o b o b eh av io r s .   Ho w ev er ,   ce r tain   s itu atio n   s u ch   as  co m p le x   en v ir o n m en m a k es  it  v er y   d if f i cu lt  f o r   r o b o to   m an a g e   all  tas k s ,   th u s   p r o d u cin g   m o r e   er r o r s   in   co n tr o p r o ce s s .   Mo r eo v er ,   i f   s o m co m p o n e n t s   i n   th e   s y s te m   a n d   th f u n ct io n   o f   th r o b o f ailed   to   p er f o r m   w ell h en ce ,   it  s h o w s   th at  t h f a u lt  to ler an ce   ch ar ac ter is tic   is   n o t   s u p p o r ted   in   lar g e - s ca le   en v ir o n m e n t.  T h er ef o r e,   co n s id er ab l y   m o r e   r esear ch   o f   in telli g e n ce   n av ig atio n   o n   m o b ile  r o b o w ill  n ee d   to   b d o n i n   d is co v er in g   n e w   m et h o d s   th at   ca n   h elp   to   o v er co m th e x is t in g   ch a llen g es.     2 . 4 .   Co mm un ica t io n - ba s ed  Na v ig a t io n   A   r o b o tic  s y s te m   b ased   co m m u n icat io n   i s   n e w   p la tf o r m   in   th e   ar ea   o f   i n tel lig e n ce   n a v ig a tio n   o n   th m o b ile  r o b o t.  I n   th ca s o f   n a v i g atio n ,   t h p r o ce s s   is   ass o ciate d   w ith   t h ar r an g e m e n o f   h u g a m o u n o f   p lain   p h y s ical  r o b o ts ,   w h ich   is   co n d u cted   t h r o u g h   lo ca l   c o m m u n icatio n   m o d i f icatio n   a n d   s e n s i n g .   I n   th w o r ld   o f   r o b o tic  s y s te m ,   th e y   ar p ar ticu lar ly   k n o w n   a s   s w a r m   r o b o ts .   T h eir   o p er atio n   r e q u ir es  n u m b er   o f   m et h o d s   w ith   s o m c h ar ac ter is tic,   w h ich   i n cl u d s i m p le  a u to n o m o u s   p lat f o r m ,   d ec en tr alize d   co n tr o l,  an d   s ev er al  w o r k s   o n   s o m s e n s o f   b io lo g ical  in s p ir atio n ,   an d   th i m p o r tan ce   o f   co o p er atio n   an d   co o r d in atio n   [ 3 0 ] , [ 3 3 ] , [ 4 0 ] - [ 4 2 ] .   Mo r e   s p ec if icall y ,   s w ar m   r o b o ts   ar u n iq u b ec au s th e y   co m m u n i ca te  w it h   ea ch   o th er   in s tead   o f   r el y in g   o n   t h u s e   o f   m ap s   [ 4 3 ] ,   m ap - b u ild in g   s tr ateg ie s   [ 3 6 ] ,   an d   ex ter n al  i n f r a s tr u ct u r [ 4 4 ] .   Ho w e v er ,   t h p r o b le m s   r eg ar d in g   th e   co n f lict in g   co n s tr ai n ts   o f   s w ar m   r o b o ts   ar v er y   h ar d   to   o v er co m e,   p ar ticu lar l y   co n ce r n in g   th s it u atio n   w h er eb y   d y n a m ic  s u r r o u n d in g   r eq u ir es  an   o p ti m al  p ath   to   b r o u ted   in   ac tu al - ti m an d   w h e n   n e w   r estrictio n   o cc u r s .   A p ar f r o m   t h at,   th is   p r o b le m   ar is es  d u to   th n ee d   o f   s w ar m   r o b o ts   to   m an e u v er   to w ar d s   th eir   tar g et  lo ca tio n   w h i le  also   tr y in g   to   co m p l y   a n d   ad j u s to   th eir   p ath s   in   co n s id er in g   f o r   an y   p o s s ib le  i n cid en ce   w i th   o t h er   r o b o ts   an d   s tatic  o b s tacle s .   Mo r eo v er ,   t h p r esen ce   o f   m an y   r o b o ts   an d   r ea l - ti m co n s tr ai n ts   h as   ca u s ed   th r o b o ts   to   co m p u te  t h eir   m o tio n s   in d e p en d en tl y   an d   i n   d ec en tr alize d   m a n n er .   I n   t h i s   ca s e,   t h o s a n i m als   t h at  p o s s ess   b eh a v io r al  p r o g r a m   ar f o u n d   to   b f le x ib le  en o u g h   to   ad ap to   t h en co u n ter ed   en v ir o n m e n tal  c h a n g e s   s u c h   a s   i n s ec co lo n ie s   [ 4 5 ] , [ 4 6 ] ,   f lo ck s   o f   b ir d s   [4 5 ] , [4 7 ] ,   s ch o o o f   f is h   [ 4 5 ] , [4 8 ] ,   an d   g r o u p s   o f   am o eb [ 4 9 ] .   T h alg o r ith m   t h at  i s   b u ilt  b ased   o n   th s i m p le   b eh av io r al  r u le  i s   f o r   t w o   p u r p o s es:    ( i)   ab ilit y   to   m i n i m i ze   th n ee d   f o r   co m p le x it y   i n   th i n f o r m atio n - p r o ce s s in g   s y s te m ,   an d   ( ii)  ab ilit y   to   allo w   th p r o d u ctio n   o f   b eh av io r   to   o p ti m ize  en er g etic   ex p en d itu r e s .     T h en tire   n atu r o f   th s y s te m   is   ca u s ed   b y   in d i v id u al   in ter ac tio n   w it h   o n an o t h e r .   Natu r al  s elec tio n   te n d s   to   f a v o r   o p ti m i za tio n   p r in cip les  t h at  u tili ze   s i m p le  r u le s   as  w ell  a s   in h er en f le x ib ilit y   w it h o u t   th n ee d   to   ex p licitl y   s elec c er tain   f ea tu r e s .   T h er ef o r e,   th e   n av ig at io n   o u tp u w i ll  b r o b u s t,  t h u s   m a k i n g   it  p o s s ib le  to   d ea w it h   er r o n e o u s   cir cu m s tan ce s ,   w h ich   in c lu d s e n s o r s   a n d   ac tu ato r s   n o is as  w ell  a s   th e   ab ilit y   o f   f a u lt  to ler a n ce   ch ar a cter is tic.   Ho w ev er ,   t h o p ti m i za tio n   t h at  is   b a s ed   o n   t h n at u r o f   a n i m al  s o cial   a p p r o ac h   p o s s ess   a   f e w   d is ad v an ta g e s   s u c h   a s ( i)   i n ab ilit y   to   co n tr o t h r o b o ts   m o tio n ,   ( ii)  o n l y   ab le  to   b o p tim a lo ca ll y ,   ( iii)  p r o d u ce   s lo p p y   g lo b al  m o v e m en t s   w h en   m o r th an   o n r o b o m a n e u v er   in   co m p lex   en v ir o n m e n t,  a n d   ( iv )   th p o s s ib ilit y   o f   th e   r o b o ts   to   b tr ap   in   lo ca m in i m u m   [ 50] - [ 5 2 ] .   T h er ef o r e,   th er e   is   an   u r g e n n ee d   to   ad d r ess   th ex is ti n g   ch alle n g es  th a t   ar im p o r tan to   th d esig n   r eq u ir em e n w h ich   in cl u d ac tu al - ti m e,   u n o r g a n ized ,   an d   d y n a m ic  s u r r o u n d in g   as  w ell   as  t h p r o b le m s   o f   i m p r ec is io n ,   in co m p lete,   a n d   u n ce r tai n t y   i n   s in g le  r o b o an d   s w ar m   r o b o ts   n av i g atio n   s y s te m .   O n   to p   o f   th at,   f ailed   co m m u n icatio n   an d   i m p er f ec alg o r it h m   ar tr ea ted   as   p ar ticu lar   co n ce r n s   d u r i n g   th e   d ev elo p m e n o f   t h e   n av i g atio n   s y s te m .   Fi n all y ,   t h p e r f o r m a n ce   o f   t h en tire   r o b o tic  n av i g atio n   s y s te m s   ca n   eith er   b i m p r o v ed   o r   at  least n o t d eg r ad ed   if   all  th p ar a m eter s   h av b ee n   a n al y ze d .       3.   M E T H O DS O F   NAVIG A T I O SYST E M   I n   th is   s ec tio n ,   th n a v i g atio n   s y s te m s   ar r ev ie w ed   in   d ep th   f o r   th p u r p o s o f   p r o v id in g   n u m b er   o f   v ital  i n f o r m atio n   to   th s t u d y   o f   s in g le  r o b o b ein g   tr an s f o r m ed   to   s w ar m   r o b o ts .   T h co m p ar ati v an al y s is   o f   th e   t h r ee   m e th o d s ,   n a m el y   co n v e n tio n al   ar tific ial  i n tel lig e n t,  s o f co m p u ti n g ,   an d   s w ar m   i n telli g e n ce   w h ic h   ar r elate d   to   m o b i le   r o b o n av i g atio n   s y s te m   is   p r esen ted   in   Fi g u r 2 .   I n   ad d itio n ,   all   t h d ef in i tio n s   an d   p r o ce s s   r elate d   to   th is   r esear ch   w ill  b f u r th er   d escr ib ed   in   th is   s ec tio n ,   in cl u d in g   co m p r e h en s iv e   d is cu s s io n   o f   th f i n d in g s   o f   t h is   s tu d y .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       I n tellig en t R o b o tics   N a vig a tio n   S ystem:   P r o b lems,  Meth o d s ,   a n d   A l g o r ith ( S iti N u r ma in i )   3715   3 . 1 .   Co nv ent io na Art if icia l In t ellig ence   T h m o s p r i m iti v n av ig atio n   s tr ateg y   w as  d e v elo p ed   to   p r o d u ce   r o b o ts   th at  ar ab le  to   a cc o m p li s h   s ev er al  tas k s   as s ig n ed   to   th e m   [ 5 3 ] - [ 5 5 ] .   Ho w e v er ,   th ad ap tiv tech n iq u m u s b co m b i n ed   w it h   p ar ticu lar   s tr ateg y .   Mo r eo v er ,   t h n a v ig atio n   o n l y   s ee m s   to   w o r k   o n   lo ca en v ir o n m en t;  t h er ef o r e,   th r o b o w ill   h a v e   d if f ic u lt ies  to   r ec o g n ize   an d   c o n tr o l its   m o tio n   i f   t h s u r r o u n d in g   i s   al w a y s   c h an g i n g   w h i ch   w i ll c o n s eq u e n tl y   af f ec th ac co m p lis h m en o f   th m is s io n .     I n   ad d itio n ,   h u g a m o u n o f   co n v e n tio n a ar tif icial  in tel lig e n ce   ( A I )   ap p r o ac h es  ar n ec es s ar y   to   o v er co m t h e x i s ti n g   l i m itat io n   w h ic h   i n cl u d ar ti f i cial  p o ten tial   f ield   m et h o d s   [ 5 6 ] ,   v ir tu al  tar g et   ap p r o ac h   [ 5 7 ] ,   lan d m ar k   le ar n in g   [ 5 8 ] ,   tan g en g r ap h   [ 5 9 ] ,   p ath   v elo cit y   d ec o m p o s itio n   m e th o d   [ 6 0 ] ,   ac ce s s ib ilit y   g r ap h   [ 6 1 ] ,   s p ac e ti m co n ce p [ 6 2 ] ,   in cr e m e n tal  p lan n i n g   [ 6 3 ] ,   r elativ v elo cit y   ap p r o ac h   [ 6 4 ] ,   r ea ctiv co n tr o s ch e m [ 1 7 ] ,   cu r v atu r e - v elo cit y   m e th o d   [ 6 5 ] ,   d y n a m ic   w i n d o w   ap p r o ac h   [ 9 ] ,   an d   Sim u ltan eo u s   L o ca lizatio n   an d   Ma p p in g   ( S L A M) .     Un f o r tu n atel y ,   th e   m e n tio n e d   co n v e n tio n al   A I   ap p r o ac h es  s ee m   to   u n d er g o   t h f o llo w in g   d is ad v an ta g es : ( i)   lo ca l c o n tr o ller   [ 6 6 ] ,   ( ii)  h ig h   co m p u tatio n al  r eso u r ce s   th a t a r ca u s ed   b y   lar g e   n u m b er   o f   s tate  [ 6 7 ] , [ 6 8 ] ,   ( iii)  a b s en ce   o f   o p tim izat io n   m o d u le  [ 6 9 ] ,   ( iv )   r eg u lar   d ea d - lo ck   s itu atio n   d u to   lo ca l   m i n i m u m   [ 7 0 ] ,   ( v )   ab s en ce   o f   p ass a g b et w ee n   clo s el y   s p ac ed   o b s tacle s   w h ich   r es u lt s   i n   o s cillatio n s   [ 5 6 ] .   T h er ef o r e,   it  is   h i g h l y   r ec o m m en d ed   f o r   t h co n tr o s tr ateg y   to   b d ev elo p ed   i n   o r d er   to   p r o d u ce   an   ac ce p tab le  s o lu tio n   to   m o b ile  r o b o t n av ig atio n   p r o b lem s .           Fig u r 2 .   I n tellig e n t r o b o tics   n av ig a tio n   s y s te m   al g o r it h m s       3 . 2 .   So f t   Co m pu t i ng   T h p u r p o s o f   So f C o m p u ti n g   ( SC )   m et h o d s   i s   to   ac h ie v r o b u s a n d   lo w - co s s o lu t i o n .   Hen ce ,   th is   m eth o d   h as   p r o p o s ed   m eth o d o lo g y   th at   u tili ze s   n u m b er   o f   k n o w led g e   in   r ef er e n ce   to   th e   r e m ar k ab le  ab ilit y   o f   t h h u m an   m i n d   to   r ea s o n   an d   lear n   [ 7 1 ] .   On   to p   o f   th at,   it  al s o   p r o v id es  an   alt er n ativ s o lu tio n   to   clar if y   s o m o f   t h af o r e m e n tio n ed   n a v i g atio n   p r o b le m s .   T h is   p ar ticu lar   m e th o d   is   d if f er e n f r o m   t h e   co n v e n tio n al  A I   m et h o d s   b ec au s it  d o es  n o p r o d u c i m p r ec is io n ,   u n ce r tain t y ,   p ar tial  tr u th ,   an d   ap p r o x im a tio n .   T h is   tech n iq u e   h as  b ee n   ex ten s i v el y   u tili ze d   in   th d esi g n   o f   m o b ile  r o b o t a p p li ca tio n   an d   h as   r esu lted   i n   g o o d   p er f o r m a n ce   [ 7 2 ] - [ 7 5 ] .   T h ab ilit y   to   d ea w ith   u n o r g a n ized   an d   u n f a m iliar   en v ir o n m en ts   h as  m ad th is   s u i tab le  tech n iq u to   ad d r ess   r o b o tic  co n t r o is s u e s   as  w e ll  as  n a v ig at i o n   p r o b lem .   T h ese  tech n iq u es a r b elie v ed   to   b r in g   ef f ec ti v m et h o d s   an d   i m p r o v th i n tel lig e n ce   i n   m o b ile  r o b o t n av ig at io n .   A   f e w   t y p o f   th s o f t c o m p u ti n g   tech n iq u e s   i n clu d f u zz y   lo g ic  s y s te m ,   n eu r al  n et w o r k ,   a n d   g en etic  al g o r it h m .   T h f u zz y   lo g ic  s y s te m   i s   an   ex ce lle n s o l u tio n   f o r   m o b il r o b o t   n av ig atio n   d u to   t h e   s y s te m s   in h er e n i m p r ec is io n ,   e s p ec iall y   t y p e - 1   f u zz y   lo g ic  s y s te m   ( T 1 FL S).   Ho w e v er ,   T 1 FL i s   in ca p ab le  o f   f u l l y   h an d li n g   th u n ce r tain t ies [ 7 6 ]   as a   r esu lt o f   th r estric ted   m o d elin g   o f   T 1 FL m e m b er s h i p   f u n ctio n s   ( Mf s )   in   m i n i m izi n g   t h ef f ec o f   u n ce r tain t y .   Me a n w h ile,   th u n ce r tain t y   v al u w ill  d is ap ea r   w h e n   MFs  ca n   at  leas b g i v en   p ar tiall y   [ 7 7 ] .   I n   t h is   ca s e,   t h er r o r   w ill  s till   o cc u r   an d   s m a ll e r r o r   is   s til s ig n i f i ca n t b ec a u s it  h as   th ab ili t y   to   n eg ati v el y   a f f ec t   th e   n a v i g atio n   p er f o r m a n ce   [ 7 8 ] .   R ec en tl y ,   n e w   k i n d   o f   f u zz y   lo g ic   k n o w n   t y p e - 2   f u zz y   lo g ic  s y s te m   ( T 2 FLS)   h as  b ee n   e s tab lis h ed   as   t h i m p r o v ed   v er s io n   o f   T 1 FLS  an d   p r o v en   to   b Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 711     3 726   3716   s u cc e s s f u in   m o b ile  r o b o n av ig a tio n   [ 7 9 ] - [ 8 1 ] .   I n   p ar ticu lar ,   T 2 FL ar ex tr em e l y   b en e f icial  i n   s itu atio n   w h er eb y   it  i s   d if f ic u lt  to   co n clu d t h ac t u al  m ea s u r e m e n [ 7 7 ] .   Mo r eo v er ,   T 2 FL a r co m p u tatio n al l y   in te n s i v a n d   h ar d   to   b b u ilt   f o r   ac t u al - ti m ap p licatio n ,   e s p ec iall y   f o r   m o b ile  r o b o n a v ig a tio n   [ 8 2 ] , [ 8 3 ] .   Me an w h ile,   i n ter v al  t y p e - 2   f u zz y   lo g ic  s y s te m   ( I T 2 FL S)  is   p r o p o s ed   to   s i m p lify   t h co m p u tat io n .   I T 2 FL p o s s ess   th e   p o s s ib ilit y   to   s o l v th e   r estrictio n s   o f   T 1 FL S   as   w ell  a s   to   p r o d u ce   a   n e w   g en er atio n   o f   th e   f u zz y   s y s te m   w it h   i m p r o v ed   p er f o r m a n ce   o f   th n a v i g atio n   s y s te m   [ 8 4 ] , [ 8 5 ] .   Ho w e v e r ,   I T 2 FL is   s til co m p u tatio n all y   in   h i g h   d e m a n d   co m p ar ed   to   T 1 FL S [ 8 6 ] .   An o th er   ca s o f   n a v i g atio n   r esear ch   r ev ea l s   s u r r o u n d i n g   th at  is   i m p r ec is e,   v ast,  d y n a m ical,   a n d   u n s tr u ct u r ed .   Hen ce ,   it  is   v er y   i m p o r tan f o r   m o b ile  r o b o to   b ab le  t o   u n d er s tan d   p ar ticu lar   s u r r o u n d i n g   in   o r d er   to   r ea ch   t h tar g e t   w ith o u co lli s io n s   [ 1 0 ] .     Mo r eo v er ,   d ata  p r o ce s s in g ,   r ec o g n itio n ,   lear n in g ,   r ea s o n in g ,   in ter p r eti n g ,   d ec is i o n - m a k in g ,   an d   ac tio n   ca p ac it ies  m u s b en d o w ed   w it h   p er ce p tio n .   I n   o r d er   t b u ild   an   ad ap tab le  n a v i g atio n   s y s te m   in   m o b ile  r o b o t,  n eu r al  n et w o r k s   ( NNs)  p o s s e s s   t h ab ilit y   to   o b s er v e   th s it u atio n s   an d   e m u la te  th e   r em ar k ab le  p er ce p tio n   an d   p atter n   r ec o g n it io n   f o r   ea ch   e n v ir o n m en t.  Fo r   th p ast  f e w   y ea r s ,   p r ev io u s l y   p u b lis h ed   s t u d ies  h a v r ep o r ted   an   is s u in   r e f er en ce   to   NNs  as   w ell  a s   its   ap p licatio n   in   o r d er   to   b etter   ass is t h m o b ile  r o b o to   p r o d u ce   an   ad v a n ce d   d ev elo p m e n o f   th eir   o p er atio n al   ca p ab ilit ies  i n   a n   u n f a m il iar   s u r r o u n d i n g   [ 8 7 ] - [ 8 9 ] .   T h p r o ce s s   o f   f a u lt y   o r   n o i s y   d ata  b y   t h NNs   is   m o r v alu ab le  co m p ar ed   to   th clas s ical  A I   tech n iq u es  b ec a u s N Ns  ar k n o w n   to   b h ig h l y   to l er an to   n o is es  [ 9 0 ] .   On   to p   o f   th at,   n u m er o u s   s t u d ies  h a v s u cc e s s f u ll y   ap p lied   t h NN s   tec h n iq u f o r   th e   p u r p o s o f   d ev elo p in g   th m o d el  r e lated   to   m o b ile   r o b o n av ig atio n .   Ho w e v er ,   th m aj o r   d is ad v an ta g o f   co n v e n tio n al  NNs   tech n iq u r ef er s   to   t h r ep ea ted   p r esen tatio n   o f   tr ai n in g   d ata   r eq u ir ed   in     ac tu al - ti m e,   w h ic h   o f te n   r esu lts   i n     v er y   lo n g   lear n in g   ti m e.   R ea s o n i n g ,   d ec is io n   m ak in g ,   an d   lear n in g   h a v b ee n   p r o p o s ed   as  p ar o f   t h S C   t ec h n iq u es;   h o w ev er ,   all  r es u lt s   m u s b o p tim ized   in   o r d er   to   ac h iev e   an   ex ce l len p er f o r m a n ce   in   n av i g atio n   s y s te m ,   esp ec iall y   i n   th ef f o r o f   f i g u r i n g   o u th o p ti m al  v al u e   o f   th tar g et  p o s itio n .   I n   co m p lex   o p ti m iza tio n   p r o b lem ,   Gen et ic  A lg o r it h m   ( GA )   h as  b ee n   d eter m in ed   as  o n o f   t h m o s s tr o n g   al g o r ith m s .   O n   to p   o f   th at,   GA   i s   p r esen ted   as  a n   e m er g in g   o p ti m izatio n   m et h o d   an d   its   f u n d a m e n tal  p r o p er ties   h a v m ad G A   a s   an     attr ac tiv c h o ice  f o r   f in d i n g   a   s o lu tio n   to   th p r o b le m   r el ated   to   m o b ile  r o b o n av ig at i o n   [ 9 1 ] - [ 9 3 ] .   A p ar t   f r o m   th a t,  G A   ca n   also   s o lv th f o llo w i n g   is s u es  ca u s ed   b y   t h tr ad itio n al  s ea r c h   tech n i q u es  w h ic h   i n clu d e   th g r ad ien t - b ased   m et h o d s ( 1 )   h ig h   co m p u tat io n al  co s t,  ( 2 )   lar g m e m o r y   s p ac es,  a n d   ( 3 )   ti m to   co n s u m e   [ 9 4 ] .   Ho w e v er ,   th i m p le m en t atio n   o f   G A   al g o r ith m   in   m o b ile  r o b o n av ig atio n   f i n d s   it  d i f f icu l to   g en er ate  g lo b al  o p ti m u m   s o l u tio n   as  well  as p r o d u ce   s lo w   co n v er g e n ce   [ 9 3 ] .   A ll  i n telli g e n s o f co m p u ti n g   tech n iq u e s   p o s s es s   d if f er e n ch ar ac ter is tic s   w h ic h   in cl u d th ab ilit y   to   lear n   an d   ex p lain   t h p r o ce s s   o f   m ak in g   th ap p r o p r iate  d ec is io n   f o r   p ar ticu lar   t y p o f   p r o b lem   an d   n o t   g en er alize   it  f o r   o t h er s .   I n   r eg ar d   to   th is ,   n e u r al  n et w o r k s   p o s s ess   n u m b er   o f   lear n in g   a b ilit y   a n d   e x ce lle n t   ca p ab ilit y   o f   r ec o g n izi n g   p atte r n s .   Ho w ev er ,   n e u r al  n et w o r k s   ar n o co m p eten ce   i n   clar i f y in g   h o w   d ec i s io n s   ca n   b m ad [ 9 5 ] .   On   to p   o f   t h at,   f u zz y   lo g ic   s y s te m s   ar v er y   g o o d   at  d eter m i n in g   th e ir   o w n   d ec is io n s   a n d   ad d r ess in g   t h r ea s o n s   f o r   in ac cu r ate  in f o r m atio n   an d   u n c er tain t y   [ 9 6 ] .   Ho w e v er ,   th e y   h av d i f f icu l ties   to   i m m ed iatel y   o b tai n   th r u les   th at  ar s et  f o r   th p u r p o s e   o f   p r o d u cin g   t h b est  d ec is io n s .   E v o l u tio n ar y   A l g o r ith m   ( E A )   g e n er ates  a n   ex ce lle n p er f o r m an ce   in   t h e   o p ti m iz atio n   p r o ce s s   w h ic h   h as  b ee n   u s ed   i n   g r ea v ar ie t y   o f   ap p licatio n s   w it h   a   h ig h   s u cc e s s   r ate.   T h alg o r ith m   i m itates   th e   m an n er   ev o l u tio n   ac ts ,   w h ic h   th e n   allo w s   t h p er f o r m an ce   o f   co n tr o ller s   to   b i m p r o v ed   o r   b e   ad ap ted s   to   d if f er en s y s te m s .   Ho w e v er ,   G A   is   as s o ciate d   w it h   r a n d o m   n u m b er s   th a ar p r o b a b ilis tic,   lo ca ll y   o p ti m u m ,   a n d   w it h   s lo co n v er g e n ce   [ 9 7 ] .   Sev er al  c h ar ac ter is tic s   o f   s o f co m p u t in g   tec h n iq u i n     m o b ile  r o b o ap p licatio n   ar d escr ib ed   in   T ab le  1 .   Ho w e v e r ,   th er ar n u m b er   o f   r estri cti o n s   r elate d   to   s o f co m p u t in g   tech n iq u es  w h ic h   m ak e s   it  h ar d   f o r   n a v i g atio n   task s   to   b p er f o r m ed   in   lar g e - s ca le  e n v ir o n m e n t.  Fi n all y ,   th e y   ar u n ab le  to   g u ar a n tee  t h r o b u s t n ess   an d   f a u lt   to ler an ce   c h ar ac ter is tic   b ec au s e   th e y   ar e   r elate d   to   ce n tr alize d   co n tr o l   ar ch itect u r an d   d o es n o t su p p o r t self - o r g an iza tio n .       T ab le  1 .   So f t c o m p u tin g   p er f o r m an ce   i n   i n telli g en t n a v i g atio n   A l g o r i t h m   P r o c e ss   B e h a v i o r   A d a p t a b i l i t y   C o mp u t a t i o n a l   W o r d   p r o b l e ms   Ty p e - 1   F u z z y   L o g i c   r e a so n i n g   a n d   d e c i si o n -   ma k i n g   p e r c e p t i o n   t o   a c t i o n   l o w   l o w   r a t e   u n c e r t a i n t y   a n d   i mp r e c i s i o n   e n v i r o n me n t   Ty p e - 2   F u z z y   L o g i c   r e a so n i n g   a n d   d e c i si o n -   ma k i n g   p e r c e p t i o n   t o   a c t i o n   me d i u m   h i g h   r a t e   u n c e r t a i n t y   a n d   i mp r e c i s i o n   e n v i r o n me n t   I n t e r v a l   Ty p e - F u z z y   L o g i c   r e a so n i n g   a n d   d e c i si o n -   ma k i n g   p e r c e p t i o n   t o   a c t i o n   me d i u m   me d i u m   r a t e   u n c e r t a i n t y   a n d   i m p r e c i si o n   e n v i r o n me n t   N e u r a l   N e t w o r k s   l e a r n i n g   a n d   a d a p t i n g   h u m a n   c a p a b i l i t i e t o   l e a r n   a n d   a d a p t   h i g h   h i g h   r a t e   T h e   d y n a mi c   e n v i r o n me n t   u n d e r   v a r y i n g   c o n d i t i o n s   Ev o l u t i o n a r y   A l g o r i t h m   se a r c h i n g   a n d   o p t i m i z i n g   h u m a n   c a p a b i l i t i e t o   l e a r n   a n d   a d a p t   h i g h   me d i u m   r a t e   t h e   d y n a mi c   e n v i r o n me n t   u n d e r   v a r y i n g   c o n d i t i o n s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       I n tellig en t R o b o tics   N a vig a tio n   S ystem:   P r o b lems,  Meth o d s ,   a n d   A l g o r ith ( S iti N u r ma in i )   3717   3 . 3 .   Sw a r m   I nte llig ence   So f C o m p u ti n g   m et h o d   co n t r ad icts   th e   m et h o d   o f   S w ar m   I n telli g e n ce   ( SI)   b ec a u s e   its   alg o r ith m s   ar d ev elo p ed   b ased   o n   th k n o w led g o f   i n d iv id u als  a s   h u m a n   b ein g s ,   w h er ea s   t h a lg o r ith m s   o f   SI  ar e   estab lis h ed   b ased   o n   t h b eh av io r s   o f   s o cial   cr ea tu r es   s u c h   a s   i n s ec t s   a n d   t h a n i m al  t h at  l iv e   in   g r o u p s .   Hen ce ,   t h b eh a v io r   o f   s o cia in s ec b ec o m e s   t h m ain   co n ce p o f   S w ar m   I n tel lig e n ce   ( SI)   w h ich   ca n   b f u r t h er   ca te g o r ized   in to   au t o n o m y ,   d i s tr ib u ted   f u n ctio n in g ,   a n d   s el f - o r g a n izin g   f o r   th p u r p o s o f   co n s tr u ct in g   n u m er o u s   ar tifi cial  s y s te m s   [ 3 0 ] .   T h i m p l e m en tatio n   o f   SI  m et h o d   in   n a v i g atio n   s y s te m   esp ec iall y   i n   m u lti - r o b o an d   s w ar m   r o b o ts   ar th r es u lt  o f   d is tr ib u ted   f u n ctio n in g ,   co m m u n icatio n   f o r   au to n o m y ,   as  w e ll  as  t h co o p er atio n   an d   co o r d in atio n   o f   s el f -   o r g an iz in g   w it h   all  t h g r o u p   o f   r o b o ts .   T h er ef o r e,   th p r o p o s ed   m et h o d s   w i ll  h av e   to   co n s id er   th af o r e m e n tio n ed   r eq u ir e m e n ts .   Mu lti - r o b o tic  an d   S w ar m   r o b o tics   s y s te m   s ee m   to   s h ar t h s i m ilar   p r o p er ties   o f   SI,   in   w h ic h   t h co o p er ativ b eh a v io r s   o f   r o b o ts   ac tiv ities   in ter ac tin g   lo ca ll y   w it h   th e ir   en v ir o n m e n is   an al y ze d .   Mo r eo v er ,   it  p r o d u ce s   an   e x ce llen p er f o r m a n ce   i n   t h n a v i g atio n   s y s te m ,   p ar ticu lar l y   f o r   th e   c o m p le x   s y s te m   i n   p r ed ef i n e d   en v ir o n m e n t.  T h d if f er e n t y p es  o f   SI  m e th o d s   in cl u d p a r ticle  s w ar m   o p t i m izatio n   ( P SO)   [ 1 0 4 ] ,   an co lo n y   o p ti m izatio n   ( AC O)   [ 1 0 5 ] , [ 1 0 6 ] ,   b ee   co lo n y   o p ti m iza tio n   ( B C O)   [ 1 0 7 ] ,   an d   f ir e f l y   al g o r ith m   ( F A )   [ 1 0 8 ] .   Si m ilar   to   o t h er   m et h o d s ,   ea ch   o f   th e   m et h o d s   u n d er   th SI  ap p r o ac h   ten d s   to   p o s n u m b er   o f   s tr e n g th s   a n d   li m itat io n s .   Ho w e v er ,   th er e   is   n o   b est   o p ti m izatio n   tec h n iq u th at   ca n   b u s ed   to   s o lv e   th e   p r o b lem s .   I is   i m p o r ta n to   n o te  th at  th s e o f   p ar am eter s   an d   s u itab le  m e th o d s   ar r esp o n s ib le  f o r   d ef in in g   th q u alit y   o f   t h s w ar m   r o b o ts   n av ig at io n   s o l u t io n .   P SO  alg o r ith m   is   a   p o p u lati o n - b ased   o p ti m izatio n   m eth o d   th at  w a s   s u g g ested   b y   Ke n n ed y   a n d   E b er h ar in   1 9 9 5 .   T h in s ig h t   o f   th i s   m et h o d   is   ex tr ac ted   f r o m   t h s o cial  b eh a v io r   o f   f lo ck   o f   b ir d   an d   a   s ch o o o f   f i s h e s .   I n   m o s ca s es ,   P SO  is   ad o p ted   in   n u m er o u s   o p tim izatio n   ar ea s   d u to   it s   e x clu s i v s ea r c h in g   m ec h a n i s m ,   s i m p le  co n ce p t,  co m p u tatio n al  e f f icien c y ,   a n d   ea s y   i m p le m e n tatio n   [ 9 8 ] .   Hen ce ,   its   s i m p licit y   h as  led   to   v ar io u s   r o b o tics   n av ig a tio n   p r o b lem s ,   w h ic h   ar s o lv ed   b y   u tili zi n g   P SO  al g o r ith m   i n   o r d er   to   p r o d u ce   g o o d   p er f o r m a n ce   [ 2 4 ] , [ 9 9 ] - [ 1 0 2 ] .   T h in f o r m a tio n   i s   g at h er ed   f r o m   s e n s o r s   o n   a   r ea l - ti m e   r o b o d u r in g   th n a v ig at io n   p r o ce s s .   T h is   n av i g atio n   p r o ce s s   is   co m p r i s ed   o f   t h r ee   s tag e s .   First,  th n a v i g atio n   is s u is   tu r n ed   in to   a n   o p ti m izat i o n   p r o b lem .   Nex t,  th p r o p er   o b jectiv f u n ctio n   is   co n s tr u c ted   in   r ef er e n ce   to   th e   g o al  an d   o b s tacle s .   Fin al l y ,   th k e y   ad v an tag o f   P SO  r ef er s   to   f ast  co n v er g e n ce   i n   v ar io u s   co m p le x   o p tim izatio n s   an d   s ea r ch   ch al l en g e s   [ 1 0 3 ] , [ 1 0 2 ] .   Me an w h i le ,   p o p u latio n - ba s ed   h eu r i s tics   a r m o r ex p en s iv d u to   h ig h er   r elia n ce   u p o n   t h f u n c tio n   v al u es   in s tead   o f   th s u b o r d in ate  d ata.   Ho w e v er ,   P SO  is   e x p o s ed   to   in co m p lete   co n v er g e n ce ,   esp ec iall y   w h e n   i i n v o l v es   m a n y   p o s s ib le  co n cl u s io n   o r   d i m en s io n s   t h at   ca n   b o p tim ized   t h at  ca n   ea s i l y   f a ll i n to   lo ca l o p ti m [ 1 0 9 ] - [ 1 1 1 ] .   T h A n C o lo n y   S y s te m s   ( AC S)  is   r eg ar d ed   as  o n o f   th h eu r is tic  ap p r o ac h es.  Hen ce ,   t h s o lu tio n   to   th e   p r o b lem   o f   co m b i n at o r ial  o p ti m izatio n   i s   k n o w n   as  th e   A C p r o ce s s ,   w h ich   w as   co n d u cted   in   ac co r d an ce   w it h   t h i n n ate  n a tu r o f   a n t s ,   p ar ticu lar l y   i n   t h m ec h an i s m   o f   co o p er atio n   an d   p r ac tice  [ 1 1 2 ] .   Me an w h ile,   an o th er   co lo n y   a p p r o ac h ,   w h ich   i s   in   r eg ar d   o f   h eu r i s tic  alg o r it h m ,   is   k n o w n   a s   A n C o lo n y   Op ti m izatio n   ( A C O) .   T h k e y   co n ce p o f   AC i s   to   id ea lize   p r o b lem   i n   r eg ar d   to   lo o k i n g   f o r   th b asic  co s p ath   in   g r ap h .   T h AC co n tr ad icts   th AC i n   t h f o r m   o f   p h er o m o n tr ails   [ 1 0 5 ] , [ 1 1 3 ] , [ 1 1 4 ] .   I n   th ca s e   o f   AC O,   t h p h er o m o n i s   u p g r ad ed   in   t w o   w a y s ,   w h ich   ar lo ca lly   a n d   g lo b al  u p d atin g   r u le  in   o r d er   to   ad j u s th p h er o m o n le v el  o n   th ed g es  t h at  is   as s i g n ed   t o   th f i n est  e x is tin g   a n to u r .   A cc o r d in g   to   th liter atu r e,   b o th   A C a n d   A C w er d is co v er ed   to   g en er a te  r o b u s an d   f le x ib le  s k ills   i n   o r d er   to   m an a g e   v ar io u s   o p ti m izatio n   ch al len g es.  I n   ad d itio n ,   A C h as   also   b ee n   ad j u s ted   to   n u m b er   o f   o d o r   s o u r ce   lo ca lizatio n   [ 4 1 ] , [ 1 1 5 ] , [ 1 1 6 ] .   Oth er   t h an   t h at,   it  al s o   p r esen ts   t w o   a n t - i n s p ir ed   r o b o f o r ag in g   al g o r ith m s ,   w h ic h   g e n er ate  b etter   ar r an g e m e n b et w ee n   th r o b o ts   [ 1 1 7 ] .   Ov er all,   th u tili za tio n   o f   A C alg o r ith m   i n   s w ar m   r o b o ts   ap p licatio n s   ten d s   to   g e n er ate  ex ce ll en ac h ie v e m e n in   t h o p ti m izatio n   p r o ce s s   [ 3 1 ] , [ 1 1 8 ] , [ 1 1 9 ] .   Nev er th eles s ,   th AC alg o r it h m   in   n av i g atio n   s y s te m   s ee m s   t o   p o s s ess   f e d is ad v an ta g es   as   r es u lt   o f   th d ep en d en p r o ce s s   o f   AC O,   w h ic h   r es u lt s   i n   t h e   u n clea r   ti m o f   co n v er g e n ce .   Var io u s   n atu r al  s y s te m s   h a v d em o n s tr ated   t h at  v er y   b asic  i n d iv id u al  o r g a n is m s   ar ab le  to   f o r m   s y s te m s   t h at  ca n   co n d u ct  e x tr e m el y   d i f f icu l w o r k   b y   d y n a m ical l y   co m m u n icati n g   w i th   o n an o t h er .     Th ar tif icial  b ee   co m m u n itie s   ar d ee m ed   to   s h ar s i m ilar   b eh av io r   an d   ar r eg ar d ed   to   b s lig h tl y   d if f er e n f r o m   t h n at u r al  b ee s .   Hen ce ,   th ar ti f icial  b ee   co lo n y   o p ti m izatio n   ( B C O)   is   b eli ev ed   to   b ca p ab le   o f   s o lv i n g   co n s tr icted   o p ti m iz atio n   is s u e s .   A p a r f r o m   t h at,   t h B C p o s s e s s   t h ab ilit y   to   s ettle  d eter m i n i s tic   co m b i n ato r ial  p r o b le m s ,   i n cl u d in g   co m b in ato r ial  p r o b le m s   th at  ar ca te g o r ized   b y   u n ce r t ain t y   [ 1 0 7 ] .   Oth er   th an   t h at,   B C h a s   b ee n   u t ilized   f o r   th p u r p o s o f   d e v is i n g   p ath   in   m o b ile  r o b o ts   [ 1 2 0 ] - [ 1 2 2 ] .   T h e   ch alle n g e s   o f   th is   s t u d y   r e f er   to   th ef f o r o f   f i n d in g   o u t h tr aj ec to r y   o f   m o tio n   o f   t h r o b o ts .   T h is   p r o ce s s   b eg in s   f r o m   p r ed ef in ed   s tar t in g   p o s itio n   to   p er m a n en ta r g et  p o s itio n   in   t h w o r ld   m ap   w it h   th f i n al  ai m   o f   r ed u cin g   t h r o u te  d is ta n ce   o f   all  t h r o b o ts .   T h alg o r ith m   co m p r i s es  o f   r ec r u it m en m eth o d   to   co llab o r ate  th estab lis h ed   f i n d in g s   w ith   o th er   r o b o ts   o f   th s w ar m ,   in c lu d i n g   n a v i g atio n   p lan   to   n av ig ate  i n   an   u n f a m iliar   w o r ld .   T h B C alg o r it h m   is   u s ef u in   g e n er ati n g   a n   ef f ec t iv s o lu t io n   to   o v er co m t h is s u es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 711     3 726   3718   o f   p ath   p lan n in g ,   w h ich   co n s eq u en tl y   d ec r ea s th ti m f o r   th p ath   to   e m er g e.   Ho w ev er ,   th alg o r ith m   is   lo ca co n v er g e n ce ,   w h ich   is   in ca p ab le  o f   s ec u r in g   t h g lo b al  co n v er g en ce   b ec a u s th e y   ar ab s o l u tel y   ra n d o m   [ 1 2 5 ] - [ 1 2 6 ] .   T h er ef o r e,   th al g o r ith m   m u s b i m p r o v ed   in   o r d er   to   p r esen an   en v ir o n m e n t h at  is   eq u ip p ed   w ith   ce r tai n t y ,   d y n a m ic,   an d   s to c h asti p r o p er t y .     Fire f l y   a lg o r it h m   ( FF )   is   k n o w n   to   g en er ate  s h o r an d   r h y t h m ic  f la s h e s .   Sp ec if icall y ,   th e   d es ig n   o f   f las h es  i s   g e n er all y   ex c lu s iv f o r   p ar ticu lar   s p ec ies.  T w o   b asic  r o les  o f   s u c h   f las h es  ar to   d r aw   t h e   atten tio n   o f   m ati n g   p ar tn er s   ( co m m u n icatio n )   a n d   p o ten t i al  p r e y   [ 1 0 8 ] .   I n   th e   s w ar m   r o b o ts   ap p licatio n ,   f ir ef l y   i s   u til ized   in   th p r o ce s s   o f   d e v is i n g   p ath   as  w ell  as  f au lt  to l er an ce   ch ar ac ter i s tic  [ 1 2 7 ] - [ 1 2 9 ] .   T h p ath   p lan n i n g   h as  b ec o m m aj o r   ch alle n g i n   th n a v i g atio n   o f   m o b ile  r o b o ts ,   w it h   th f o c u s   o f   f ig u r in g   o u t h e   b est  p ath   w i th   t h m i n i m u m   r i s k   o f   co llis io n   in   g iv e n   s u r r o u n d i n g .   Ge n er all y ,   t h er ar d if f er e n r o u tes  t h at   ca n   ass is t h r o b o to   ar r iv at  p ar ticu lar   tar g et,   b u it  is   i m p o r tan to   n o te  th a th b est  p ath   h a s   to   b ch o s en   b ased   o n   t h estab li s h e d   g u id eli n e.       T ab le  2 .   Sw ar m   i n telli g e n ce   p er f o r m an ce   i n   i n telli g e n t n a v i g atio n   A l g o r i t h m   P r o c e ss   B e h a v i o r   C o mp u t a t i o n a l   W o r d   p r o b l e ms   P a r t i c l e   S w a r m   O p t i mi z a t i o n   a g g r e g a t i n g   a n d   f l o c k i n g   c o o r d i n a t e   mo t i o n   a n d   c o l l e c t i v e   e x p l o r a t i o n   l o w   r a t e   t a r g e t   se e k i n g ,   p a t h   p l a n n i n g ,   l o c a l i z a t i o n   A n t   C o l o n y   O p t i mi z a t i o n   f o r a g i n g   a n d   t r a i l i n g   c o l l e c t i v e   t r a n sp o r t ,   t a sk   a l l o c a t i o n   a n d   c o n se n s u s a c h i e v e me n t   me d i u m   r a t e   p a t h   p l a n n i n g ,   o b s t a c l e   a v o i d a n c e ,   t r a i l   a v o i d a n c e ,   ma p p i n g   B e e   C o l o n y   O p t i mi z a t i o n   f o r a g i n g   t a s k   a l l o c a t i o n   a n d   c o n se n s u a c h i e v e me n t   l o w   r a t e   p a t h   p l a n n i n g ,   l o c a l i z a t i o n   F i r e f l y   A l g o r i t h m   g a t h e r i n g   c o l l e c t i v e   f a u l t   d e t e c t i o n   a n d   g r o u p   si z e   r e g u l a t i o n   me d i u m   r a t e   p a t h   p l a n n i n g   a n d   f a u l t   t o l e r a n c e       T h k e y   b e n ef its   o f   F ar e   d escr ib ed   as   th a u to m atic  s u b d iv is io n   a s   w el as  th co m p eten c y   to   co m p r o m is w it h   m u l ti m o d ali t y   [ 1 2 3 ] .   I n   th ca s o f   m o b il r o b o n av ig atio n ,   it  g en er at es  th o u tco m es  i n   f i n d in g   t h p er f ec p at h   w i th   t h f o llo w in g   c h ar ac ter is tic s s h o r test   p ath ,   least  e n er g y   co n s u m i n g ,   o r   s h o r test   ti m e.   Ho w e v er ,   it  i s   p o s s ib le   f o r   th s w ar m   r o b o ts   to   b tr ap p ed   in to   s e v er al  lo ca o p ti m u m s   as  r e s u l o f   th e   in ab ilit y   o f   f ir e f l y   al g o r it h m   t o   r ec all  o r   lear n   an y   p ast  e v e n ts   w i th   b etter   s itu a tio n ,   t h u s   ca u s i n g   th e m   to   m o v w it h o u t h r ec o llectio n   o f   it s   p r ev io u s   b etter   s i tu at io n   w h ic h   ca n   r esu lt  i n   m is s i n g   co n d itio n s   [ 1 2 4 ] .   A ll   t h ap p r o ac h es  t h at   ca n   b u s ed   to   d escr ib t h co m p a r is o n   b et w ee n   s w ar m   in telli g en ce   al g o r ith m   a n d   ap p licatio n   in   r ea l - w o r ld   p r o b le m s   ar s u m m ar ized   i n   T ab le  2 .   T ab le  3   p r esen ts   t h m ai n   d i f f er en ce s   a m o n g   co n v e n tio n a ar tific ial  i n tell ig e n ce ,   s o f t   c o m p u ti n g ,   an d   s w ar m   i n tell ig e n ce   ap p r o ac h es,  p ar ticu lar l y   i n   ter m s   o f   s o f t w ar e,   h ar d w ar e,   an d   al g o r it h m   r eq u ir e m e n ts .         T ab le  3 .   C o m p ar is o n   o f   th r ee   ap p r o ac h es in   n a v ig a tio n   s y s te m   P e r f o r man c e   C o n v e n t i o n a l   A I   S o f t   C o mp u t i n g   S w a r I n t e l l i g e n c e   P r o c e ssi n g   t i me   sl o w   me d i u m   f a st   C o mp u t a t i o n a l   h i g h   me d i u m   l o w   C o mp l e x i t y   h i g h   me d i u m   l o w   S c a l a b i l i t y   l o w   l o w   h i g h   A d a p t a b i l i t y   n i l   l o w   h i g h   Ty p i c a l   a p p l i c a t i o n   si n g l e   a g e n t   si n g l e   a g e n t / m u l t i - a g e n t   mu l t i - a g e n t   En v i r o n me n t   k n o w n   k n o w n / u n k n o w n   u n k n o w n   A l g o r i t h m   d e si g n   h u m a n   e x p e r i e n c e   h u m a n   a n d   a n i mal   b e h a v i o r   so c i a l   a n i mal   C o n t r o l   a r c h i t e c t u r e   c e n t r a l i z e d   c e n t r a l i z e d   d e c e n t r a l i z e d   D e si g n   c h a r a c t e r i st i c   p o w e r f u l   h a r d w a r e   p o w e r f u l   h a r d w a r e   si mp l e   h a r d w a r e   C o st   h i g h   h i g h   l o w       4.   SI N G L E   RO B O T   VS S WA RM   RO B O T S NA VI G AT I O AL G O RI T H M S   4 . 1 .   Sin g le  Ro bo t   I n ten s iv r e v ie w s   h a v b ee n   c o n d u cted   b et w ee n   co n v e n tio n al  A I   a n d   So f C o m p u tin g   ( S C )   r esear ch   in   m o b ile  r o b o n av ig at io n   s y s te m s .   T ab le  4   p r o v id es  s u m m ar y   o f   s tr e n g th s   a n d   li m itatio n s   o f   r elate d   ap p r o ac h es.  On   to p   o f   th at,   s ev er al  co m p ar is o n s   o f   r elate d   tech n o lo g ies  ar d is p la y ed ,   esp ec iall y   r eg ar d i n g   th u tili za t io n   o f   s o f co m p u t in g   tech n iq u i n   s o l v i n g   th i n h er e n li m i tatio n s   o f   th n a v ig atio n   s y s te m .   As  ca n   b o b s er v ed   in   T ab le  4 ,   clea r   co m p ar is o n   is   d escr ib ed   b et w ee n   co n v e n tio n a A I   ap p r o ac h   an d   So f C o m p u tin g   ap p r o ac h   in   m o b i le  r o b o ap p licatio n .   T h tr ad itio n al  A I   s ee m   to   p r o v id f u ll  atte n tio n   to   th e   ef f o r o f   i m itati n g   h u m a n   in t ellig e n ce   th r o u g h   th u s o f   s y m b o m a n ip u latio n   a n d   s y m b o licall y   o r g an ized   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       I n tellig en t R o b o tics   N a vig a tio n   S ystem:   P r o b lems,  Meth o d s ,   a n d   A l g o r ith ( S iti N u r ma in i )   3719   k n o w led g b ases .   T h is   p ar tic u lar   in telli g en ce   i s   ex h ib ited   b y   m ac h i n es  o r   s o f t w ar e.   On   th o th er   h an d ,   t h is   ap p r o ac h   r estricts  th co n d iti o n s   th a ca n   b ap p lied   b y   co n v e n tio n al  A I .   Me a n w h ile,   th i m p o r tan ce   o f   m ap p in g   a n d   p lan n i n g   in   c o n tr o llin g   t h m o v e m e n o f   m o b ile  r o b o s ee m s   to   f u r th er   g en er ate  m o r ad v an ta g eo u s   an d   d is ad v an tag eo u s .   I is   v ital  to   n o te  th at  t h s u r r o u n d i n g   o f   t h m o b ile  r o b o is   ac tu al - ti m e,   al w a y s   ch a n g in g ,   a n d   u n o r g a n ized .   Hen ce ,   i li m it s   t h i m p le m en ta tio n   a s   r es u lt  o f   r e q u ir in g   p r ec is el y   s tated   an al y tical  m o d el  a n d   o f t en   h u g a m o u n t o f   co m p u tat io n   ti m e.       SC   i s   k n o w n   to   b p ar o f   co m p u tatio n al  i n telli g e n ce   tec h n iq u e.   Mo r s p ec if ica ll y ,   i r ef er s   t o   a   g r o u p   o f   n at u r e - in s p ir ed   co m p u tatio n al   tech n iq u es  a n d   p r o ce d u r es  in   o r d er   to   f o c u s   o n   co m p lica ted   r ea l - w o r ld   is s u es.  SC   co n tr ad icts   t h co n v e n tio n a A I   i n   its   ef f e cts  as   w ell   as   th e   r o le  m o d el   f o r   s o f co m p u ti n g   w h ic h   is   th e   h u m an   m in d .   I is   h ig h l y   le n ie n o f   i m p r ec i s i o n ,   u n ce r tain t y ,   p ar tial  tr u t h ,   an d   ap p r o x i m atio n .   T h er ef o r e,   th ese  ad v an ta g es  a r v er y   b en ef icial  in   i n tell ig e n n av i g atio n   s y s te m   d esi g n   d u to   th p r esen ce   o f   i m p r ec is io n   i n   s e n s o r   d etec tio n ,   u n ce r tain t y   i n   d y n a m ic  en v i r o n m e n t,  an d   er r o r   in   th ac t u ato r .   On   to p   o f   th at,   SC   is   e x p lo ited   to   o v er co m th ch alle n g es  a n d   p r o d u ce   h ig h   p er f o r m a n ce   o f   t h n av i g atio n   s y s te m ,   in cl u d in g   s i m p le  an d   f le x ib le   alg o r ith m   f o r   th p u r p o s o f   n a v ig a tio n   an d   co m m u n ica t io n .   A   n u m b er   o f   ch ar ac ter is tic s   ar r eq u ir ed   to   b ex h ib ited   b y   t h r o b o ts   to   en s u r ex ce llen f u n cto n al it y ,   n a m el y   th e   ab ilit y   to   p r ev en a n y   p o s s ib le  cr as h ,   co v er   th ter r ain   e f f ec ti v el y ,   d is tr ib u te  t h ta s k ,   a s s i s ti n g   o n an o t h er   w it h   m o r e   d ata  t h r o u g h   v ar io u s   s e n s o r s ,   an d   t h ca p ab ilit y   o f   g en er atin g   an   u n f i x ed   r ed is tr ib u ti o n   to   ad h er to   th e   s itu a tio n   p r o v id ed   if   t h r o b o is   u n ab le  to   f u n ctio n     [ 2 9 ] .   Hen ce ,   it  i s   w it h o u d o u b t h at  g r ea atte n tio n   m u s b g i v e n   to   t h p r o ce s s   o f   co n tr o llin g   t h r o b o tea m s .   Ho w e v er ,   it   is   i m p o r ta n t   to   ac k n o w led g e   th e   d if f ic u lt y   o f   th p r o ce d u r d u to   its   ab ilit y   to   co m p lica t th s y s te m   [ 1 3 0 ] I n   ad d itio n ,   s ev er al  t y p es  o f   co n v e n tio n al  ce n tr alize d   m et h o d   h av b ee n   u tili ze d   [ 1 3 0 ] , [ 1 3 1 ] ,   b u no   s ig n if ica n li m itat i o n s   m a n ag ed   to   b e   d etec ted ,   th u s   it  ca n n o tr ea t ed   as  g en er al - p u r p o s s o l u tio n .   T h d is ad v an ta g e s   o f   ce n tr alize d   co n tr o in cl u d e   h i g h   co m p u tat io n al  co s an d   co m m u n icat io n   co m p lex i t y ,   lac k   o f   f le x ib ilit y ,   an d   u n r ea s o n ab le   r o b u s tn es s   [ 1 3 2 ] .       T ab le  4 .   Stre n g th s   an d   li m itati o n s   o f   co n v e n tio n al  A I   a n d   s o f t c o m p u ti n g   ap p r o ac h   in   n av i g atio n   s y s te m s   A p p r o a c h   S t r e n g t h s   L i mi t a t i o n s   R e f e r e n c e s   S i mu l t a n e o u l o c a l i z a t i o n   a n d   ma p   b u i l d i n g   ( S L A M )   a b l e   t o   e l i mi n a t e   t h e   n e e d   f o r   a r t i f i c i a l   i n f r a st r u c t u r e s     C o mp l e x i t y   su b - o p t i m a l   ma p - b u i l d i n g   h i g h   c o m p u t a t i o n a l   c o st   r e q u i r e s a   c o n si s t e n t   ma p       [ 6 ] ;   [ 1 3 3 ] ; [ 1 3 4 ] .   P o t e n t i a l   F i e l d   q u i c k l y   o b se r v e   e f f i c i e n t   mat h e mat i c a l   a n a l y si s a n d   si mp l i c i t y     p a t h   su b - o p t i m a l   h i g h   c o mp u t a t i o n a l   c o st   t r a p   si t u a t i o n d u e   t o   l o c a l   mi n i mu m   n o   p a ss a g e   b e t w e e n   c l o se l y   sp a c e d   o b st a c l e s.  o sci l l a t i o n s   i n   t h e   p r e se n c e   o f   o b st a c l e s a n d   n a r r o w   p a ssag e s.  t h e   g l o b a l   w o r k sp a c e   mu st   b e   k n o w n   [ 5 6 ] ; [ 7 ] .   C u r v a t u r e   v e l o c i t y   me t h o d   h i g h   a c c u r a c y   c o mp u t a t i o n a l   e f f i c i e n c y   g e n e r a l i z e w e l l   t o   a r b i t r a r y   si mp l e   t o   i m p l e me n t   r e a l - t i me   c o mp u t a t i o n     C o mp l e x i t y   p a t h   s u b - o p t i mal   t r a p   i n   l o c a l   mi n i ma   [ 6 5 ] ; [ 8 ] .     T h e   d y n a mi c   w i n d o w   a p p r o a c h   (DWA)   A c c u r a c y c o n s i st e n c y e f f i c i e n c y c o r r e c t l y   a n d   i n   a   r i g o r o u s w a y   n c o r p o r a t e s t h e   d y n a mi c s   o f   t h e   r o b o t   C o mp l e x i t y p a t h   s u b - o p t i mal t r a p   i n   l o c a l   mi n i ma   [ 1 3 5 ] ; [ 9 ] .     Ty p e - 1   F u z z y   L o g i c   S y st e m     c o n st a n t   se n s i t i v i t y     r e q u i r e s e x p e r t   k n o w l e d g e   t o   i n c o r p o r a t e   i n   t h e   c o n t r o l   o f   t h e   sy st e   d i f f i c u l t   t o   c o n st r u c t   f u z z y   r u l e   b a se   h i g h   c o mp u t a t i o n a l   c o s t   i n v o l v i n g   l a r g e r   n u m b e r s o f   i n p u t   a n d   o u t p u t .         [ 7 2 ] ; [ 1 3 6 ] ; [ 9 6 ] .     Ty p e - 2   F u z z y   L o g i c   S y st e m     b e t t e r   p e r f o r man c e   c o m p a r e d   t o   T 1 F L S     r e d u c e   t h e   r u l e   b a se   n u mb e r   i n c r e a se   a c c u r a c y   h i g h   c o m p u t a t i o n a l   c o st   e v e n   w i t h   f e w   i n p u t     d i f f i c u l t   t o   c o n st r u c t   f u z z y   r u l e   b a se     [ 1 3 7 ] ; [ 1 3 8 ] ; [ 8 2 ] ; [ 8 1 ] ; [ 8 4 ] .   N e u r a l   N e t w o r k s     p r o v i d e   ma t h e ma t i c a l   mo d e l i n g   t o   a p p r o x i ma t e   c o n t i n u o u s re a l -   v a l u e d   f u n c t i o n s .       r e q u i r e   l a r g e   me mo r y   a n d   h i g h - s p e e d   p r o c e sso r .     H i g h   c o m p u t a t i o n a l   c o s t   sl o w   c o n v e r g e n c e   [ 1 3 9 ] ; [ 9 0 ] .   H y b r i d   F u z z y - GA     p r o c e ss t h e   o n l i n e   l e a r n i n g   a n d   a d a p t a t i o n   o f   t h e   c o n t r o l l e r     p o sse ss t h e   c o mp e t e n c y   t o   d y n a mi c a l l y   a d j u s t   t o   n e w   su r r o u n d i n g   a n d   u p d a t e   i t k n o w l e d g e     p r o d u c e   h i g h   c o mp u t a t i o n a l   c o st .   r e q u i r e   h u g e   a mo u n t   o f   i t e r a t i o n s   t o   d e v e l o p   a   g o o d   c o n t r o l l e r   [ 1 4 0 ] ; [ 1 4 1 ] .     H y b r i d   N e u r a l - F u z z y     p o sse ss t h e   a b i l i t y   t o   a u t o mat i c a l l y   e x t r a c t   t h e   f u z z y   r u l e s a n d   M F s.    r e q u i r e s c o mp l e x   t r a i n i n g   a n d   l i m i t e d   i mp l e me n t a t i o n   i n   d e d i c a t e d   h a r d w a r e     [ 1 4 2 ] ; [ 1 4 3 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 711     3 726   3720   4 . 2 .   Sw a r m   Ro bo t s   S w ar m   r o b o ts   ar w id el y   k n o w n   to   b o n o f   t h h ig h l y   cr u cial  ap p licatio n   ar ea s   in   s w ar m   in telli g e n ce .   I n   th i s   ca s e,     as s ig n ed   co n tr o ap p r o ac h   is   d ee m ed   to   b m o r ap p r o p r iate  f o r   th co n tr o o f   s y s te m s   w h ich   i n v o lv h u g e   a m o u n o f   r o b o ts ,   in cl u d in g   f o r   th s y s te m s   w h er eb y   th i n f o r m atio n   ab o u th e   s u r r o u n d in g   i s   ab le  to   b co llected   o r   s en s ed   b y   th e   r o b o ts   th e m s el v es.  S w ar m   r o b o ts   ar i n s p ir ed   b y   b io lo g ical  ev o lu tio n ,   w h ic h   al s o   co n s eq u e n tl y   d ev elo p   b eh a v io r s   f r o m   an i m a ls   i n   o r d er   to   p r o d u ce   o p ti m al   co l lectiv d ec is io n s   co n ce r n i n g   th n a v i g atio n   o f   i n d iv id u al  r o b o ts   as  w ell  as  to   g en er ate  e f f icien an d   r o b u s n av i g atio n .   I n   t h is   s it u atio n ,   ea ch   r o b o ten d s   to   d eter m in e   its   i n d iv id u a ac tio n   b y   r ec o g n iz in g   t h p r esen t   s u r r o u n d in g   t h e y   ar i n   a n d   e m p lo y i n g   n u m b er   o f   p r ed ef i n ed   co n tr o la w s .   T h ce n tr al  p r o p o s al  is   to   co n s tr u ct   co n tr o la w s   t h at   will  allo w   t h e n tire   r o b o s y s t e m   to   ac co m p lis h   t h tar g et  o b j ec tiv es  s u c h   a s   co llis io n - f r ee   n av ig at io n   o r   b u ild in g   s p atial  s tr u ctu r e.     C u r r en tl y ,   n u m b er   o f   s w ar m   in telli g en ce - b ased   o p ti m iza tio n   alg o r it h m s   h a v b ee n   s u g g e s ted   b y   n u m er o u s   r esear ch er s   in   o r d er   to   o v er co m e   th tr ad itio n al  c en tr alize d   alg o r it h m s   w h ic h   i n clu d P SO,  AC O,   B C O,   an d   F A .   T h e y   m o v in   s y s te m atic  m a n n er   w i th o u t   an y   co o r d in ato r .   T h ey   ar p r o ce s s ed   in   s i m p le   co d an d   lo w   co m p u ta tio n al   r eso u r ce s ,   w h er eb y   th i n d iv id u al  s y s te m   i s   b eliev ed   to   h av th ab ilit y   to   tr an s f o r m   i ts   m o v e m e n t   m o d e   w h e n   t h co m p u tat io n al  p r ic is   h i g h .   A s   f o r   m o b ile  r o b o n a v ig a tio n ,   s w ar m   in telli g e n ce   is   p r o p o s ed   in   o r d er   to   f ig u r o u an   o p ti m a an d   co llis io n - f r ee   r o u te  f r o m   s tar tin g   p o in to   th e   tar g et  p o in t   in   u n f a m iliar   a n d   ch a n g i n g   s u r r o u n d in g   [ 1 0 4 ] - [ 1 0 8 ] .   T h co m m o n   s w ar m   i n telli g e n ce   s y s te m   p o s s ess es  th li s ted   f u n d a m en tal  p r in cip le  c h ar ac ter is tic s   s u c h   as  p r o x i m it y ,   q u alit y ,   d iv er s r esp o n s e,   s tab ilit y ,   an d   ad ap tab ilit y .   Fi n all y ,   t h is   r e v ie w   p r o v id es   n u m b er   o f   co m p ar is o n s   o n   th e   r elate d   alg o r ith m ,   esp ec iall y   o n   t h u tili za tio n   o f   t h s w ar m   i n tel lig e n a lg o r it h m   i n   s o l v in g   t h i n h er en t   li m itatio n s   o f   m o b ile   r o b o t n av ig atio n .       T ab le  5 .   Stre n g th s   an d   li m itati o n s   o f   s w ar m   i n telli g e n ce   ap p r o ac h   in   n a v i g atio n   s y s te m   A l g o r i t h m   S t r e n g t h s   L i mi t a t i o n s   R e f e r e n c e s   P a r t i c l e   S w a r O p t i mi z a t i o n     e a sy   t o   i mp l e me n t     f e w   p a r a me t e r   c o n t r o l   l o w   c o mp u t a t i o n     g r e a t   o p t i mi z a t i o n   a b i l i t y   f a st   c o n v e r g e n c e     g o o d   i mp l e me n t a t i o n   i n   sw a r r o b o t s   p r e mat u r e   c o n v e r g e n c e     sl o w   c o n v e r g e n c e   o p t i m a l i t y   c o n v e r g e n c e   i n f l u e n c e d   b y   i n e r t i a   w e i g h t     l o w   f l e x i b i l i t y   t r a p   i n   l o c a l   m i n i ma   [ 5 0 ] ; [ 1 4 4 ] ; [ 1 4 5 ] .   A n t   C o l o n y   O p t i mi z a t i o n     d i s t r i b u t e d   c o mp u t a t i o n   d y n a mi c   a p p l i c a t i o n   g o o d   r e su l t   i n   sw a r m ro b o t s se a r c h   a n d   e x p l o r a t i o n     d i f f i c u l t   a n a l y si   sl o w   c o n v e r g e n c e     u n c e r t a i n   t i me   t o   c o n v e r g e   [ 1 0 4 ] ; [ 1 1 3 ] ; [ 1 1 4 ] ;   [ 1 0 5 ] .     B e e   C o l o n y   O p t i mi z a t i o n     F a st   c o n v e r g e n c e     h i g h   f l e x i b i l i t y   g l o b a l   o p t i m i z a t i o n     su p p o r t   i m p l e me n t a t i o n   o f   p a r a l l e l   p r o c e ssi n g   h i g h   c o m p u t a t i o n a l   c o st   p o o r   c o n v e r g e n c e     l o c a l   o p t i m i z a t i o n   [ 1 0 7 ] ; [ 1 2 1 ] .     F i r e f l y   A l g o r i t h m   t h e   h i g h   c o n v e r g e n c e   r a t e   l o w   c o mp u t a t i o n a l   c o st     l e ss n u mb e r   o f   i t e r a t i o n s a n d   f l o a t i n g   p o i n t   su i t a b l e   f o r   p a r a l l e l   p r o c e ssi n g     sl o w   c o n v e r g e n c e   sp e e d   t h e   a l g o r i t h m i n f l e x i b l e   a l g o r i t h p a r a me t e r d o   n o t   c h a n g e   w i t h   t h e   t i me   L o c a l   o p t i mi z a t i o n     [ 1 2 7 ] ;   [ 1 2 8 ] .       T ab le  5   s h o w s   s w ar m   i n tell ig en ce   is   s u itab le  f o r   s i m p l ag e n ts ,   b u w it h   b as ic  b e h av io r   a n d   co n s cio u s n e s s .   T h co n tr o s t r u ctu r is   d i s p er s ed   d u to   t h ab s en ce   o f   g lo b al  i n f o r m ati o n   i n   t h s y s te m .   Mo r eo v er ,   th co llap s e   o f   an   in d i v id u al   a g en t   is   to ler ated   w h e n   m o b ile   r o b o ts   m o v d y n a m icall y   i n   e v er y   ch an g i n g   s u r r o u n d i n g .   As  f ar   as  s w ar m   r o b o ts   ap p licatio n   is   co n ce r n ed ,   it  is   d i f f icu lt  to   d esig n   t h n a v i g atio n   s y s te m   co n ce r n i n g   t h p ar a m eter s   b ec au s th e y   m a y   p r o v i d d r am atic  ef f ec r elate d   to   th e m er g e n ce   o f   co llectiv b eh a v io r .   On   th o th er   h a n d ,   th in d i v id u al  b eh av io r   ap p ea r s   lik n o is e .   Mo r eo v er ,   th er is   n o   an al y tical  m ec h a n i s m   an d   t h co llectiv b eh a v io r   o f   s w a r m   r o b o ts   ca n n o b i n f er r ed   f r o m   s in g le  r o b o b eh av io r   i n   t h ce r tai n   s it u atio n .   I n   ad d itio n ,   it   is   n ec e s s ar y   f o r   th f o r m s   o f   co o r d in atio n   e m p lo y ed   i n   s w ar m   r o b o ts   to   tak in t o   co n s id er atio n   th u n ce r tai n t y ,   li m itatio n ,   an d   m i s ta k es  t h at  ar is f r o m   t h p r o ce s s i n g   m et h o d   o f   s en s o r   in f o r m atio n .   Oth er   th a n   t h at,   ea ch   e x is ti n g   alg o r ith m s   f o r   s w ar m   r o b o ts   n av i g atio n   p o s s es s   its   o w n   s tr e n g t h s   an d   r estricti o n s   th at  ar r elate d   to   s p ec i f ic  g o al,   w h ich   al s o   co n s id er s   th i m p o r tan ce   o f   p r io r ity   a m o n g   d i f f er e n p er f o r m a n ce .   Fi n all y ,   s e v er al  al g o r ith m s   m an a g ed   to   b b r ief l y   ex p lai n ed   f r o m   a   r esp ec tiv p o in t o f   v ie w .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.