[論文レビュー] Deaf, Dumb, and Chatting Robots, Enabling Distributed Computation and Fault-Tolerance Among Stigmergic Robot

Yoann Dieudonné, Shlomi Dolev+2 more|ArXiv.org|Feb 20, 2009

Optimization and Search Problems参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、動物のステイグメリック行動に類似した動き信号を用いて、聴覚障害・言語障害を有する移動型ロボットのための決定論的一对一通信プロトコルを提案する。これにより、分散型ロボットスワームにおいて明示的な通信とフォールトトレランスを実現する。主な貢献は、従来の無線通信に依存せずに、メッセージを符号化するための動きのパターンを用いて、IDあり・なしを問わず同期的・非同期的通信を可能にするプロトコルのセットを提供することにある。

ABSTRACT

We investigate ways for the exchange of information (explicit communication) among deaf and dumb mobile robots scattered in the plane. We introduce the use of movement-signals (analogously to flight signals and bees waggle) as a mean to transfer messages, enabling the use of distributed algorithms among the robots. We propose one-to-one deterministic movement protocols that implement explicit communication. We first present protocols for synchronous robots. We begin with a very simple coding protocol for two robots. Based on on this protocol, we provide one-to-one communication for any system of n \geq 2 robots equipped with observable IDs that agree on a common direction (sense of direction). We then propose two solutions enabling one-to-one communication among anonymous robots. Since the robots are devoid of observable IDs, both protocols build recognition mechanisms using the (weak) capabilities offered to the robots. The first protocol assumes that the robots agree on a common direction and a common handedness (chirality), while the second protocol assumes chirality only. Next, we show how the movements of robots can provide implicit acknowledgments in asynchronous systems. We use this result to design asynchronous one-to-one communication with two robots only. Finally, we combine this solution with the schemes developed in synchronous settings to fit the general case of asynchronous one-to-one communication among any number of robots. Our protocols enable the use of distributing algorithms based on message exchanges among swarms of Stigmergic robots. Furthermore, they provides robots equipped with means of communication to overcome faults of their communication device.

研究の動機と目的

• 従来の無線通信が利用できない聴覚障害・言語障害を有する移動型ロボット同士で明示的な通信を可能にすること。
• 移動と相対位置情報のみを用いて、一対一通信を実現する決定論的プロトコルを設計すること。
• IDのない匿名ロボットを含む、同期的および非同期的ロボットシステムをサポートすること。
• 動き信号を用いたフォールトトレランスを実現し、通信装置の故障からロボットが回復できること。
• タスク固有の信号にとどまらない、一般用途のメッセージ交換（例：会話、分散アルゴリズム）を可能にするステイグメリック通信への拡張。

提案手法

• ミツバチの waggle ダンスに類似した動き信号を設計し、ロボット間で2進メッセージを符号化する。
• 共通の方向と chirality（手のひらの向き）を用いて、匿名システムにおけるロボット識別とメッセージルーティングを実現する。
• メッセージ内容と受信者IDを符号化する構造的な動きシーケンスを用いて、一対一通信を実装する。
• 動き信号による暗黙の確認応答を用いて、同期プロトコルを非同期環境に適応させる。
• ロボットがメッセージを送るときのみ移動する「サイレント通信モデル」を導入し、エネルギーを節約する。
• 平面の幾何的分割（例：角度領域やグリッドベースの移動）を用いて、メッセージインデックスを符号化し、通信ステップ数を削減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 聴覚障害・言語障害を有する移動型ロボットが、移動と相対センシングのみを用いて、信頼性の高い一対一通信を実現できるか？
• RQ2 観察可能なIDを持たない匿名ロボットが、動きのパターンを用いて互いに認識し、通信できるか？
• RQ3 動き信号によるフォールトトレランス型分散計算が、無線通信が利用できない環境でも可能か？
• RQ4 非同期ロボットシステムにおいて、サイレントでエネルギー効率の良い通信プロトコルを設計できるか？
• RQ5 ロボットが移動して戻った場合と、静止したままの状態を区別できない場合、通信にどのような制限が生じるか？

主な発見

• 本論文は、移動信号を用いた6つの決定論的一対一通信プロトコルを提示し、同期的および非同期的システムをサポートする。
• 匿名ロボットの場合、共通の方向と chirality、あるいは chirality のみを用いて、暗黙の認識メカニズムを構築することで通信を実現する。
• 動き信号による暗黙の確認応答を用いることで、非同期通信が実現され、2台のロボット間での信頼性の高いメッセージ交換が可能になる。
• 同期的および非同期的スキームを組み合わせることで、任意の数のロボットが参加する一般の非同期システムでも動作するように、プロトコルを適応可能にしている。
• 同期系では通信プロトコルがサイレントである。つまり、メッセージを送るときのみロボットが移動し、エネルギーを節約できる。
• 非同期システムにおける根本的な課題として、移動して戻ったロボットと、静止したままのロボットを区別できないことが特定され、有限ステップ通信プロトコルに制限をもたらす可能性がある。