[論文レビュー] Cooperative Decentralized Multi-agent Control under Local LTL Tasks and Connectivity Constraints

Meng Guo, Jana Tůmová+1 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2014

Formal Methods in Verification参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、局所的線形時相論理（LTL）タスクと接続性制約を有するマルチエージェントシステムの分散制御フレームワークを提案する。動的リーダーフォロワー方式を用いることで、タスクの満足とリアルタイムでの接続性を保証する。同期的プロダクト構築を回避し、リアルタイムでのリーダー切り替えを可能にすることで、すべてのエージェントが個々のおよび協調的なLTL仕様を満たすと同時に通信リンクを維持することを保証する。

ABSTRACT

We propose a framework for the decentralized control of a team of agents that are assigned local tasks expressed as Linear Temporal Logic (LTL) formulas. Each local LTL task specification captures both the requirements on the respective agent's behavior and the requests for the other agents' collaborations needed to accomplish the task. Furthermore, the agents are subject to communication constraints. The presented solution follows the automata-theoretic approach to LTL model checking, however, it avoids the computationally demanding construction of synchronized product system between the agents. We suggest a decentralized coordination among the agents through a dynamic leader-follower scheme, to guarantee the low-level connectivity maintenance at all times and a progress towards the satisfaction of the leader's task. By a systematic leader switching, we ensure that each agent's task will be accomplished.

研究の動機と目的

• 各エージェントが複雑な局所的LTLタスクを有するマルチエージェントシステムにおける分散制御の課題に対処すること。
• すべてのエージェントが個々のLTL仕様、ならびに協調行動を満たすと同時に、常に通信接続性を維持すること。
• エージェント間の同期的プロダクトシステムの構築を回避し、スケーラブルで分散型の計画を可能にすること。
• リーダー選出と運動制御を統合したリアルタイムで分散型の制御方式を開発すること。
• 系統的なリーダー再選出と分散協調によって、すべてのエージェントのタスクへの長期的進行を保証すること。

提案手法

• 各エージェントは、自動車的合成を用いて個々のLTL仕様に基づき局所的な高レベル計画を生成する。
• 動的リーダーフォロワー協調方式を採用し、現在のリーダーがチームをタスクに向かって導きつつ接続性を維持する。
• 分散型リーダー選出アルゴリズムにより、ローカル通信のみを用いて各エージェントのタスクへの順次的進行を保証する。
• リーダーおよびフォロワーに対して連続的で分散型の制御器を設計し、1.5mの範囲内で運動収束と接続性の維持を保証する。
• タスク完了またはマイルストーン到達時に系統的にリーダー切り替えが行われ、すべてのエージェントが最終的にタスクを満たすことを保証する。
• グローバル同期やプロダクトオートマトンの構築を回避することで、オフライン計画なしにリアルタイム実行が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 各エージェントが他のエージェントとの協調を要する局所的LTLタスクを有する分散マルチエージェント制御は、どのように達成可能か？
• RQ2 動的タスク実行中に分散マルチエージェントシステムで接続性制約をどのように維持できるか？
• RQ3 グローバルプロダクトオートマトンを構築しないで、すべてのエージェントのLTLタスクへの進行を保証できるリーダーフォロワー方式は設計可能か？
• RQ4 すべてのエージェントが個々および協調的なLTL仕様を最終的に満たすスケーラブルでリアルタイムの協調メカニズムは何か？
• RQ5 通信制約下で長期的なタスク満足を保証するために、リーダー再選出をどのように系統的に管理できるか？

主な発見

• シミュレーション全体を通して接続性が正常に維持され、隣接エージェント間の全ペア距離が1.5mの通信半径以下に保たれた。
• エージェント $τ_1$ は $t=3.8s$ までに最初のゴール領域 $R_{11}$ に到達し、協調後 $t=6.1s$ までに全エージェントが $R_{21}$ に収束した。
• リーダーは系統的に全エージェントを経由して切り替わった：$τ_1$, $τ_2$, $τ_3$, $τ_4$, $τ_2$, $τ_3$, $τ_1$, $τ_1$, $τ_3$, $τ_3$, $τ_4$, $τ_4$。35秒間で全必要なゴール領域をカバーした。
• すべてのエージェントが自らのLTLタスクを満たした：$τ_1$ は物体Hの積載を完了、$τ_2$ と $τ_3$ は周期的監視を実施、$τ_4$ は物体Cの繰り返し組立を達成した。
• 軌道および距離プロットから、分散制御器が安定した接続性を維持し、リアルタイムで全タスクマイルストーンを達成したことが確認された。
• 本手法は同期的プロダクトシステムの構築を効果的に回避し、グローバル同期なしにスケーラブルで分散型の実行を可能にした。