[論文レビュー] Distributed Navigation of Multi-Robot Systems For Sensing Coverage

Waqqas Ahmad|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2016

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 266被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、重み付き近隣ルールと類似性に基づく協調制御を用いた分散型マルチロボットカバレッジ制御フレームワークを提案する。速度およびHeadingの協調速度と安定性の向上を目的としており、量子化制御下での緩い協調基準を導入し、数学的解析とシミュレーションを通じて、収束性の向上と循環的挙動の低減を実証している。

ABSTRACT

This research investigates decentralized control of mobile robots specifically for coverage problems. There are different approaches associated with decentralized control strategy for coverage control problems. We perform a comparative review of these approaches and use the approach based on simple local coordination rules. We investigate this extensively used nearest neighbour rule based approach for developing coverage control algorithms. In this approach, a mobile robot gives an equal importance to every neighbour robot coming under its communication range. We develop our control approach by making some of the mobile robots playing a more influential role than other members in the team. The approach based on this control strategy becomes efficient in terms of achieving a consensus on control inputs, say heading angle, velocity, etc. The decentralized control of mobile robots can also exhibit a cyclic behaviour under some physical constraints like a quantized orientation of mobile robot. We further investigate the cyclic behaviour appearing due to the quantized control of mobile robots under some conditions. Our nearest neighbour rule based approach offers a biased strategy in case of cyclic behaviour appearing in the team of mobile robots. We consider a clustering technique inside the team of mobile robots. Our decentralized control strategy calculates the similarity measure among the neighbours of a mobile robot. The team of mobile robots with the similarity measure based approach becomes efficient in achieving a fast consensus like on heading angle or velocity. We perform a rigorous mathematical analysis of our developed approach. We also develop a condition based on relaxed criteria for achieving consensus on velocity or heading angle of the mobile robots. Our validation approach is based on mathematical arguments and extensive computer simulations.

研究の動機と目的

• センシングカバレッジタスクにおける大規模マルチロボットシステムにおける集中型制御の限界を解決すること。
• 分散型協調における等重み近隣ルールの非効率性と脆弱性を克服すること。
• 局所的情報に基づいて、Headingおよび速度の高速な協調を実現する、堅牢でスケーラブルな制御戦略の開発。
• 移動ロボットネットワークにおける量子化制御入力に起因する循環的挙動を調査し、緩和すること。
• 確率的で周期的でない重み行列下でのロボットネットワークにおける協調達成のための緩い数学的基準を確立すること。

提案手法

• 近隣ルールに重み付き平均関数を採用し、関連性や役割に応じて隣接ロボットに異なる影響を与える。
• 近隣ロボット間の類似性測度を導入し、協調計算においてより整合性が高く関連性の高いエージェントを優先する。
• 線形力学系 $ x(k) = W_k x(k-1) $ を定式化し、$ W_k $ を非負の対角成分を有する確率的で、非可約かつ非周期的な重み行列とする。
• スペクトル特性に基づく協調の必要十分条件を導出する。具体的には、単位ノルムの固有値が一意に存在することを要請する。
• さまざまな配置および通信シナリオ下で、広範なコンピュータシミュレーションを通じて理論枠組みの妥当性を検証する。
• 弱エルゴード性理論を応用し、非i.i.d.かつ非対角成分が正でない重み行列下での協調を分析することで、より広範な適用可能性を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集中型制御なしに、分散型マルチロボットシステムが、Headingや速度といった制御入力の協調をどのように高速化できるか。
• RQ2 重み付き平均および類似性測度の導入が、分散型カバレッジ制御における収束速度と安定性に与える影響は何か。
• RQ3 量子化制御入力によって生じる循環的挙動を引き起こす状況下で、どのような条件下で協調が達成可能か。
• RQ4 重み行列が厳密に対角成分が正でないかi.i.d.でない場合に、協調のための緩い基準を導出可能か。
• RQ5 通信制約およびネットワークトポロジーは、分散型カバレッジアルゴリズムの性能にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 単純な平均化と比較して、重み付き平均関数アプローチは、分散型カバレッジ制御における収束速度の向上と振動の低減を顕著に実現する。
• 近隣エージェント間の類似性測度の導入により、Headingおよび速度の協調に必要な線形反復回数が削減される。
• 量子化された方向制御に起因する循環的挙動は、重み付き平均に基づくバイアス制御戦略によって効果的に緩和される。
• 協調のための必要十分条件として、$ \mathbb{E}[W_k] $ が単位ノルムの固有値を一意に有することを確立した。これは $ W_k $ が厳密に対角成分が正でない場合でも成立する。
• 緩い協調基準により、非周期的かつ強連結な重み行列を設計可能でありながらも協調を保証できるため、実装の幅が広がる。
• コンピュータシミュレーションにより理論的発見が確認され、ランダムおよび構造的配置の両方で、Heading角の収束および速度の協調が実現している。