[論文レビュー] Kilombo: a Kilobot simulator to enable effective research in swarm robotics

Fredrik Jansson, Matthew Hartley+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2015

Modular Robots and Swarm IntelligenceEngineering参考文献 5被引用数 18

ひとこと要約

Kilomboは、物理的ロボットとシミュレーションの両方でKilobotコードを直接実行できるC言語ベースのシミュレータであり、コード変換の必要性を排除し、開発を加速する。1000台のロボットシミュレーションにおいて、実時間の100倍の速度向上を達成し、物理的ロボットと高い行動同一性を保ちながら、集団的行動アルゴリズムの高スルーレート事前スクリーニングを可能にする。

ABSTRACT

The Kilobot is a widely used platform for investigation of swarm robotics. Physical Kilobots are slow moving and require frequent recalibration and charging, which significantly slows down the development cycle. Simulators can speed up the process of testing, exploring and hypothesis generation, but usually require time consuming and error-prone translation of code between simulator and robot. Moreover, code of different nature often obfuscates direct comparison, as well as determination of the cause of deviation, between simulator and actual robot swarm behaviour. To tackle these issues we have developed a C-based simulator that allows those working with Kilobots to use the same programme code in both the simulator and the physical robots. Use of our simulator, coined Kilombo, significantly simplifies and speeds up development, given that a simulation of 1000 robots can be run at a speed 100 times faster than real time on a desktop computer, making high-throughput pre-screening possible of potential algorithms that could lead to desired emergent behaviour. We argue that this strategy, here specifically developed for Kilobots, is of general importance for effective robot swarm research. The source code is freely available under the MIT license.

研究の動機と目的

• 物理的ロボットの制限（再キャリブレーション、充電、遅い実行速度など）に起因する、集団ロボット工学における遅くエラーの多い開発サイクルを解消すること。
• 同じコードを両方のプラットフォームで実行可能にすることで、シミュレータと物理的ロボットの行動のギャップを克服し、変換エラーを回避すること。
• 急激に発現する集団的行動の仮説検証とアルゴリズムスクリーニングを可能にする、高速で効率的なシミュレーション環境を提供すること。
• シミュレーションのダイナミクスを現実世界の物理的ロボットのダイナミクスに密接に一致させることで、スケーラブルかつ再現可能な研究を促進すること。
• 同様の能力を持つ他の低価格・シンプルロボットプラットフォームに対しても拡張可能な再利用可能なフレームワークを確立すること。

提案手法

• 物理的Kilobotで使用される同じソースコードをコンパイル・実行できるC言語ベースのシミュレータを開発し、APIおよび行動の互換性を保証すること。
• ロボットの行動を逐次処理するシミュレーションループを実装し、ループ実行を即時処理とみなすことで、速度を最大化しながらも忠実度を維持すること。
• 計算オーバーヘッドを低減するため、簡略化された物理法則を用いてロボットの移動、通信、センシングをモデル化すること。
• メッセージング周波数と実行タイミングを、現実世界の制約を反映するようにモデル化し、シミュレーションと物理的行動の差異を最小限に抑えること。
• 重量な物理エンジンやスクリプト言語のオーバーヘッドを回避することで、標準のデスクトップハードウェア上でも実時間の100倍のシミュレーション速度を実現すること。
• 拡張性を設計し、ロボットAPIと環境表現部の変更のみで、他のロボットに適応可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的Kilobotで使用される同じCコードを実行できるシミュレータを設計可能か。これにより、コード変換の必要性がなくなり、開発エラーが削減されるか。
• RQ2 簡略化された物理法則を用いた高速シミュレータは、物理的Kilobot集団で観察される急激な行動をどの程度正確に再現できるか。
• RQ3 Kilomboのシミュレーション速度は実時間と比較してどの程度か。また、集団的行動アルゴリズムの高スルーレート事前スクリーニングを可能にするか。
• RQ4 シミュレーションの正確さとパフォーマンスの間にはどのようなトレードオフがあり、忠実度を保ちながらも高速な実験を可能にするにはどうバランスを取るべきか。
• RQ5 このシミュレータのアプローチは、同様のセンシングおよびアクチュエータ能力を持つ他の低価格・シンプルロボットプラットフォームへ一般化可能か。

主な発見

• Kilomboは、シミュレータと物理的ロボットの両方でKilobot Cコードを直接実行可能であり、変換エラーの排除と開発の簡素化を実現した。
• 標準のデスクトップコンピュータ上での1000台のKilobotシミュレーションは、実時間の100倍の速度で実行され、高スルーレートのアルゴリズムスクリーニングが可能になった。
• シミュレータは物理的Kilobotと強い行動同一性を達成しており、主に移動パターンの制約に起因するずれが生じるが、根本的なアルゴリズム的差異とは無関係である。
• 軽量でC言語ベースのシミュレーションモデルを用いることで、スクリプト言語や重量な物理エンジンのオーバーヘッドを回避し、著しく速度向上が達成された。
• 簡略化された物理法則でも、通信遅延や確率的移動といった重要なダイナミクスを正確にモデル化できる。
• シミュレータはMITライセンスで自由に利用可能であり、FET FoCAS SwarmOrganプロジェクトを含む実際の研究プロジェクトでも成功裏に使用されている。