有意识的气球与你共同创造动态空间体验
项目简述：
本项目I.F.L.Y从简单的物体-气球-参考鸟群运动规则中的分离、对齐、内聚这3个简单规则进行移动，从而使得人们觉得简单的气球存在自我意识并创造奇妙的空间体验。I.F.L.Y气球的行为和个性旨在吸引我们合作并形成一个共享的体验空间。我们看到和听到的，或者我们感觉到、闻到和尝到的东西，只是实际存在的东西的一小部分 (Metzinger, 2017)。每一个气球本身只能感知到有限的周遭环境，我们透过三个基本的规则去模拟出有意识的生物的行为与我们产生互动。
I.F.L.Y 展览于 Tate Bratain
人们如何感觉某一个物体是有生命的物体，是物体的哪些行为可以让你感知为是有自主意识的生物？其实我们不需要赋予物体本身强大的计算能力去模拟生物体的行为，而可以通过设定简单规则从而创造出复杂的行为，使人们认为这些物体是有生命的。Heider 和 Simmel 发现，当大多数人观看独立移动的几何形状的动画时，他们会将有意的运动和目标导向的互动行为投射于这些形状。几乎每个观看动画的人，都会描绘出一个相当详细的“故事”来讲述正在发生的事情。人们从几个互动中的图形想象出各种各样的场景，并将图形拟人化。按照Reynold理论，一群简单运动规则的动画物体会被人们立即被识别为自然生物群的代表，并且观看这些行为的人也会很愉快。
Heider 和 Simmel的实验
Scenes from Heider and Simmel’s Experiment(Heider and Simmel,1944)
简单规则与被感知到的有意识的行为：
产生复杂行为的机器人却不一定是一个复杂的机器人。Braitenberg Vehicles展现使用简单的结构与逻辑却创造复杂的行为。Braitenberg Vehicles仅能通过感知有限的周遭环境，例如温度，空气压力和光的强度后，通过简单的计算分析之后去靠近或远离周遭环境。举个例子，实验中的车辆有一个感知光的传感器和两个根据传感器而控制速度的的直流电机，一开始，车辆的行为是在黑暗中前进，当它开始看到灯光时，靠近光源的直流电机开始加快一点速度，它就会避让光源，然后减速，最后在再次进入黑暗时停止。从个人角度来看，车辆可以被视为蟑螂。当进入一个黑暗的房间并打开灯时，它们会隐藏在黑暗中。
基于简单规则观察出现的行为模式(Braitenberg,1989)
Simple rules to observed behaviors to merge behaviors(Braitenberg,1989).
这个实验展示了创造一个看似复杂的行为是比分析这个行为更加的简单，尽管车辆的算法和结构对我们来说很简单，但人们可以定义车辆产生了有意识的行为。我们经常在故事或场景中为某事赋予理由或目的。
我们从I.F.L.Y项目出发，行为可以由简单的规则和复杂的环境产生，并且可以通过物体本身自发性和设定的算法被人类观察到。我们简单设定了分离、对齐、内聚这三个简单的规则，会导致人们的不同行为，然后将这些不同的行为融合起来可能会让人产生复杂的感知，之后，人们可以从观察气球的行为得到气球的个性和行为模式，接着可以讲述关于气球的故事。
I.F.L.Y 展览于 UCL Hest East Campus
涌现行为 Emergent behavior ：
涌现行为它描述了由许多具有复杂特性的小事物形成的更大事物的形式，即构成复杂性和简单性无处不在。鸟群的涌现行为是由很多鸟的个体相互作用而产生。超越个体自身的新事物是在一定规则下的许多个体相互作用组成。新事物可以与其他新事物结合以重复该过程，可以将其想象为层层叠叠，每一层都由更复杂的部分组成，从而形成一个复杂的行为系统。
人类观察气球行为的过程
The process of observation from human being
我们创造的涌现行为不仅包括气球的行为，还包括人的行为，并且是不可预测的。在一次展览上有一对夫妇为了气球的注意力而争吵。上面提到的行为意味着气球有能力在人们的脑海中引起他们的注意。如果我们有很多气球和更多的人在一个大的空间中，因为我们无法预测人的自发行为，无法预测人的行进路径，这意味着许多行为会是人与气球之间的基本层面的相互作用而产生一个完整的系统，系统本身试图保持一个充满活力的完整结构并保持着巨大的变化。
自主意识的气球系统 The autonomous balloon System：
气球机器人可以在3D维度空间中自由移动。通常自主机器人在某种程度上能够自给自足，可以根据对环境的感知做出自己的选择。从I.F.L.Y项目中，每个气球个体都是自己的控制器，根据感知到的外界环境做出行为，而不是由单个领导者或统一控制器控制。从技术面分析，自主机器人不仅仅是在空间中进行移动，而是能够根据周遭环境分析后产生动机并以某种方式行动。自主机器人个体有具有自治极简主义的三个关键特征。首先，个体需要感知能力感知周围环境，紧接着计算周遭环境中的元素。最后，个体根据上一步的计算结果做出自己的反应与动作。结合From autonomous Minimalist following in three dimensions 和我们实验的结果，因为氦气球的能力限制，为了以减轻重量，所以我们使用外部系统来构建我们的自主气球。接来下我们分析气球的外部系统是如何实现自主机器人的行为。
自主机器人与气球机器人之间的类比
The analogy between autonomous robot and i.f.l.y robot
首先气球机器人感知周遭环境，借由Optitrack摄像头定位空间中人与气球的3D位置，接着将空间数据传到unity电脑中并进行气球与气球和气球与人距离的计算，然后unity电脑根据距离的数据选择气球的行为，最后unity电脑将数据送到位于气球上的控制器。这整个系统允许个体气球以 “栩栩如生”的方式在空间中采取行动：逃离、徘徊、跟随、避免、思考、漂浮。
气球与外部系统之间关系
The connection between the autonomous system and the flying balloon exterior system.
气球的移动基本规则The basic rule of balloon movement：
自主气球机器人所需要遵守的是Reynold所提出的第一个模拟鸟群的计算模型——boid模型，该模型假设在空间中的每个气球机器人都服从下列3个基本原则。
（1）体积排斥：每个模拟的个体都会占据一定的体积，而这些体积永远不会相交，即每个个体都会避免与最近的个体发生碰撞。
（2）速度对齐：每个个体与其近邻保持速度同步。
（3）聚集倾向：粒子不会倾向于独立行动，每个个体会尽量与附近个体靠近，以避免孤立。
（1）排斥 （2）速度对齐 （3）聚集倾向
参考：http://www.red3d.com/cwr/boids/
而且上面提到的这三点规则都是局部的规则，人作为一个领导者在其中发挥作用，任意的气球 都仅仅只是根据自己附近的其它粒子的运动情况调整自己的运动方向。
在本项目I.F.L.Y初始状态中，每个气球机器人中的初始速度皆为0且移动的方向是随机的，随后个体的运动方向取决于个体的位置及邻居的方向。并且需要设置空间边界，气球在往边界前进过程中需要减速并产生反向速度驶向空间中心。
再参考vicsek模型中，个体邻居是以该个体为中心，半径为r的圆形区域内的所有个体。
（4）在每个时间段内，由于一定的干扰，每个气球都需要与r范围内的邻居对齐。
(5)每个气球需要以一定的速度朝着新方向移动。
使用鸟群模拟上述规则运动于Python中
flocking algorithm simulation in python
气球硬件系统 Hardware of the balloon：
我们从带有四个垂直移动电机的无人机中获得了气球机制的灵感。为了精确控制气球，首先控制两个水平螺旋桨控制旋转与前后移动，其次控制两个垂直螺旋桨移动控制高度。一个电机顺时针垂直移动，另一个电机逆时针移动，以使扭矩总和为零。
气球运动机制
The mechanism of the balloon
在I.F.L.Y项目中，我们至少已经尝试了五种材料，包括铝箔气球、天气气象气球、PVC 气球、透明 4D 气球和乳胶气球。其中几种气球充气后较容易爆炸或容易漏气。因此，我们主要选择透明的 4D 气球来制作我们的机器人。
气球迭代 Balloon Iteration
PID 控制系统 PID Controller：
根据上述可知，我们能够在虚拟世界里实现气球机器人与人的互动行为并创造动态的空间，但在现实世界中，因为气球本身很容易被外界因素影响气球的运动，例如人行走带起的风，还有很多不可预测的因素影响着气球的运动轨迹。我们在现实世界中无法控制气球以某种方式准确的运动。我们需要设计一个反馈机制去使得气球能够从某一个点起飞并到达指定位置。首先需要计算出气球移动和旋转的速度，接着计算气球到达目的地需要多长时间。接下来，将根据来自 optitrack 相机的数据进行修改并反馈，以便系统可以在反馈系统中根据现在进行修改。
为了创建反馈回路，需要为目的地的参考坐标与目前的位置进行比较，将空间中x、y、z 轴的坐标和气球旋转方向的差值进行计算，进入循环系统中修正控制直流电机的参数，将差信号转换为电机的脉冲宽度，可以帮助气球保持在恒定的高度或前往目的地。
反馈循环
feedback loop
结论 conclusion：
本文认为，自主气球机器人可以通过简单的规则和简单的结构构建，具有多种不同规则的可能性。这个项目为采用的鸟群的基本规则，产生令人愉快的涌现行为并创造动态的空间体验。同时，参观者在体验了我们的装置后，讲述了气球的故事和个性，展示了有因果关系的现象，并填写了问卷调查。在问卷调查中，大多数参与者都认为气球本身是积极和友好的，这意味着人们将气球视为一个有感情和意图的物体。关于气球行为的另一个有趣的反馈显示，参与者从气球中发现了困惑和尴尬。参与者还认为气球是一个被自己所占据的生物。所以，人们是可以透过气球的行为感受到气球的意图，并自然的与气球机器人进行了共情产生链接。
人与机器的连接
Connection between human and i.f.l.y robot
关于感知的问卷调查
the questionnaire About Perception
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