[論文レビュー] Connectivity maintenance by robotic Mobile Ad-hoc NETwork

Vaibhav Kumar Mehta, Filippo Arrichiello|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2013

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、自然災害後のインfra構造のない環境において、固定の基地局と移動する自律エージェントの間でマルチホップ接続を維持するため、分散型で行動ベースの制御戦略を提案する。ローカルな位置情報および通信データを用いて、ロボットたちはヌル空間に基づく行動制御により自己構成し、動的かつ自律的なモバイルアドホックネットワーク（MANET）を形成する。実験的検証では、5台の地上ロボットを用いて、エージェントが基地局から100メートル以上離れて移動しても、パケット損失を最小限に抑え、成功裏に通信を維持した。

ABSTRACT

The problem of maintaining a wireless communication link between a fixed base station and an autonomous agent by means of a team of mobile robots is addressed in this work. Such problem can be of interest for search and rescue missions in post disaster scenario where the autonomous agent can be used for remote monitoring and first hand knowledge of the aftermath, while the mobile robots can be used to provide the agent the possibility to dynamically send its collected information to an external base station. To study the problem, a distributed multi-robot system with wifi communication capabilities has been developed and used to implement a Mobile Ad-hoc NETwork (MANET) to guarantee the required multi-hop communication. None of the robots of the team possess the knowledge of agent's movement, neither they hold a pre-assigned position in the ad-hoc network but they adapt with respect to the dynamic environmental situations. This adaptation only requires the robots to have the knowledge of their position and the possibility to exchange such information with their one-hop neighbours. Robots' motion is achieved by implementing a behavioural control, namely the Null-Space based Behavioural control, embedding the collective mission to achieve the required self-configuration. Validation of the approach is performed by means of demanding experimental tests involving five ground mobile robots capable of self localization and dynamic obstacle avoidance.

研究の動機と目的

• インfra構造のない環境において、移動エージェントと固定基地局との間で継続的なマルチホップ通信を可能にすること。
• エージェントの経路や役割に関する事前知識がなくとも、ロボットが自己構成可能な分散型制御戦略を開発すること。
• ローカル情報と1ホップ隣接ノード通信のみに依存して、動的ミッション中に堅牢な接続性を確保すること。
• 障害物や可変な無線範囲といった実世界の制約を考慮した大規模な屋内環境で、この手法を検証すること。
• 救助活動における遠隔監視のための通信範囲拡張を実現する自律的ロボットリレーシステムの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 接続性の維持を他のタスクよりも優先するため、ヌル空間に基づく行動制御を用いた行動ベースの制御フレームワーク。
• 各ロボットが自らの位置情報および1ホップ隣接ノードの通信データを用いて、自律的に運動レファレンスを計算する。
• ルーティングテーブルのデータとネットワークトポロジーの変化に基づいて、接続性関連の行動を選択する動的タスク活性化戦略。
• マルチホップルーティングを可能にするために、olsrdプロトコルを活用し、自動的な経路発見と再構成を実現。
• エージェントと基地局の間、またはリレーノード同士の距離を等しく保つことで、通信チェーンの安定化を図る。
• 中央集権的制御やグローバルな経路知識を一切使用せず、ローカルセンシングと通信に依存するアプローチ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 移動エージェントの軌道に関する事前知識がなくとも、ロボットチームが動的かつマルチホップ接続を維持する方法は何か？
• RQ2 ローカル情報のみに依存して、ロボットが自己構成可能な分散型制御戦略は何か？
• RQ3 障害物や可変な無線範囲といった実世界の条件下で、行動ベースの手法が接続性を維持する有効性はいかほどか？
• RQ4 大規模な屋内環境において、長距離にわたりパケット損失や通信信頼性の観点から、このシステムの性能はどの程度か？
• RQ5 移動性や環境変化によるリンク断絶が生じた場合、システムは動的再構成を適切に処理できるか？

主な発見

• ロボットによるMANETは、自律エージェントが基地局から約100メートルも離れて移動することを可能にした。これは、直接通信範囲（20〜25メートル）をはるかに超える。
• ミッション中、損失が生じたパケットはわずかに抑えられ、主にルーティング再構成の遷移段階で発生した。
• エージェントが交差点を通過し、視線が遮断される状況に陥った際でも、システムはミッション全体を通じてグローバルなネットワーク接続性を維持した。
• olsrdプロトコルは新しいマルチホップ経路を確立するのに数秒を要したが、一度活性化されるとネットワークは安定した状態を維持した。
• ロボットたちは、最適なリレーポジションを維持するために、動的に位置を再配置した。その中で、1台のロボットがエージェントと基地局の間をブリッジする役割を果たした。
• 実験時間は約700秒であり、この間、エージェントはUDP/IPを介して継続的なデータ送信を実行しながら、往復ミッションを完了した。