[論文レビュー] A Survey on Open Problems for Mobile Robots

Alberto Bandettini, Fabio Luporini+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2011

Optimization and Search Problems参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本調査は、モバイルロボティクス分野における2つの主要な未解決問題を特定し分析している：(1) 拡張 CORDA モデルにおける n > 4 の太さを持つ（点でない、不透明な）ロボットが常に集約可能かどうか、および (2) 限界視界を有するモバイルロボットによる境界パトロールにおけるアルゴリズム的課題。本調査は、パターン形成および協調戦略（特に限界視界下でのそれら）が解決策を可能にする可能性を提起しているが、現在のモデルにおける境界パトロール問題の理論的基盤の欠如を強調している。

ABSTRACT

Gathering mobile robots is a widely studied problem in robotic research. This survey first introduces the related work, summarizing models and results. Then, the focus shifts on the open problem of gathering fat robots. In this context, "fat" means that the robot is not represented by a point in a bidimensional space, but it has an extent. Moreover, it can be opaque in the sense that other robots cannot "see through" it. All these issues lead to a redefinition of the original problem and an extension of the CORDA model. For at most 4 robots an algorithm is provided in the literature, but is gathering always possible for n>4 fat robots? Another open problem is considered: Boundary Patrolling by mobile robots. A set of mobile robots with constraints only on speed and visibility is working in a polygonal environment having boundary and possibly obstacles. The robots have to perform a perpetual movement (possibly within the environment) so that the maximum timespan in which a point of the boundary is not being watched by any robot is minimized.

研究の動機と目的

• CORDA モデル下で、分散的かつメモリレスな設定において n > 4 の太さを持つ不透明ロボットの集約可能性を調査すること。
• 明示的な通信なしに限界視界を有するモバイルロボットによる境界パトロールの理論的アルゴリズムの欠如に取り組むこと。
• 限界視界下でのパターン形成が、効果的な境界パトロール戦略を可能にするかどうかを検討すること。
• 可視性グラフとロボットの協調が、複雑なロボットタスクの分散的解決を可能にする役割を検討すること。
• 現在のロボットモデルにおける協調問題に対する根本的なアルゴリズム的制限を特定すること。

提案手法

• CORDA モデルを拡張し、太さと不透明性を持つロボットを含めるようにし、可視性および移動制約を再定義すること。
• 点ロボット向けに既存のアルゴリズムを分析し、それらを太さを持つロボットモデルに適応させ、幾何的および位相的制約に焦点を当てる。
• 境界パトロールの前触れとして、分散型パターン形成（例：正 n 角形や直線形）を活用することを提案する。
• 形成段階およびパトロール段階での接続性を保証するために、可視性グラフの利用を検討する。
• 一部のロボットが間接的通信を通じてコーディネーターとして機能するハイブリッド方式の可能性を評価する。
• 複数段階のアルゴリズムにおける段階遷移を実現するためのメモリや通信プリミティブ（例：色付きランプ）の必要性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡張 CORDA モデル下で、n > 4 の太さを持つロボットの配置に対して、集約は常に可能か？
• RQ2 限界視界と明示的通信なしに、分散アルゴリズムが最適な境界パトロールを達成可能か？
• RQ3 限界視界下で、安定的かつ均一な配置（例：正 n 角形や直線形）を形成するにはどうすればよいか？ これによりパトロールが可能になる。
• RQ4 可視性グラフの接続性が、パトロールや集約のための協調運動を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 限界視界下でのパターン形成が、境界パトロールのような上位レベルの協調問題の解決基盤として機能できるか？

主な発見

• n ≤ 4 の場合、太さを持つロボットのための集約アルゴリズムは存在するが、n > 4 の場合の集約可能性は未解決の問題のままである。
• 現在のロボットモデルにおいて、境界パトロール問題には理論的アルゴリズム的基盤が欠如している。特に限界視界下において顕著である。
• 限界視界下でのパターン形成は、現在のアルゴリズムによってはまだサポートされていない。特に可視性が無制限であると仮定するモデル（例：CORDA）では顕著である。
• 正 n 角形や直線形のパターンを形成することで、均一な境界パトロールが可能になるが、これには限界視界下で確立されていない協調メカニズムが必要である。
• 可視性グラフが接続されているか、十分に密でなければ、協調が維持されないため、協調の維持にはそのような性質が必要であるが、限界視界下では保証されない。
• メモリや通信がなければ、段階遷移（例：形成からパトロールへの移行）を達成するのは極めて困難であるため、追加のロボット能力の導入が求められる。