[論文レビュー] Traffic Management Strategies for Multi-Robotic Rigid Payload Transport Systems

Yahnit Sirineni, Pulkit Verma+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、静的障害物を伴う動的環境において、複数のロボットが剛体荷物を運ぶシステムにおける交通管理のための分散型リーダーフォロワー-ORCA-RRT*フレームワークを提案する。衝突回避には変更を加えたnh-ORCAを、経路計画にはRRT*を用いる。本システムは、障害物が存在する環境下でも衝突を回避し、形状が安定した複数の荷物の運搬を実現し、最大30台のシステムを想定したシミュレーションにおいてスケーラビリティと最小限の経路ずれを示した。

ABSTRACT

In this work, we address traffic management of multiple payload transport systems comprising of non-holonomic robots. We consider loosely coupled rigid robot formations carrying a payload from one place to another. Each payload transport system (PTS) moves in various kinds of environments with obstacles. We ensure each PTS completes its given task by avoiding collisions with other payload systems and obstacles as well. Each PTS has one leader and multiple followers and the followers maintain a desired distance and angle with respect to the leader using a decentralized leader-follower control architecture while moving in the traffic. We showcase, through simulations the time taken by each PTS to traverse its respective trajectory with and without other PTS and obstacles. We show that our strategies help manage the traffic for a large number of PTS moving from one place to another.

研究の動機と目的

• 共有環境に障害物が存在する複数の剛体荷物運搬システム（PTS）を統合的に制御する課題に対処すること。
• 静的障害物と複数のPTS間の衝突を回避しつつ、形成の整合性を維持すること。
• 個々の目的地に向かう複数のPTSに対して、効率的でスケーラブルかつ分散型のナビゲーションを可能にすること。
• 交通状況や環境的制約があっても、経路ずれを最小限に抑え、タイムリーな配達を実現すること。

提案手法

• 静的障害物を考慮して、各PTSのリーダーの出発地から目的地までの最適な軌道をRRT*で計算する。
• リアルタイムでリーダーの衝突回避のための線形速度および角速度を計算するために、変更を加えたnh-ORCAアルゴリズムを適用する。
• 形成の幾何学的形状を保つために、フォロワーの速度を計算する分散型リーダーフォロワー制御則を採用する。
• リーダーの経路をウェイポイントに補間して、全形成を誘導するが、所定の距離と角度を維持する。
• 相対的位置と予測軌道に基づいて速度を動的に調整することで、障害物および形成間の衝突回避を統合する。
• さまざまな形成形状、障害物数、システム規模を想定した、広範なシミュレーションによるフレームワークの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の剛体荷物運搬システムは、共有環境における他のシステムおよび静的障害物と衝突を避けるために、どのように統合的に制御できるか？
• RQ2 密度の高い交通状況下でも、分散型制御アーキテクチャが、形成の整合性を保ちながら衝突を回避するナビゲーションをどの程度維持できるか？
• RQ3 障害物が存在する環境では、障害物なしの状況と比較して、PTSの到着までの時間と経路ずれにどのような影響が生じるか？
• RQ4 提案されたフレームワークは、PTSの数が増加しても、安全性や性能を損なわず、効果的にスケーリングできるか？

主な発見

• 本システムは、静的障害物が存在する複雑な環境を30台のPTSが効率的に通過し、衝突を回避し、形成の崩壊も発生させなかった。
• 障害物が存在する環境下でも、到着までの時間が障害物なしの状況と同等であったため、効率的な経路計画と最小限の迂回が実現した。
• 衝突回避動作時でさえも、各PTSのフォロワーとリーダー間の距離が約0.35mで一定を保った。
• 変更を加えたnh-ORCAアルゴリズムにより、隣接する形成および障害物との衝突を回避するための動的スピード調整が可能となり、特に接近距離が臨界に近づいた地点での速度変化がその有効性を裏付けた。
• すべての時点で最小の形成間距離が維持されたことから、強固な形成間衝突回避が確認された。
• 本システムは優れたスケーラビリティを示し、PTSの数が増加しても性能と安全性を損なわず、シミュレーションで安定した動作を示した。