[논문 리뷰] Connectivity maintenance by robotic Mobile Ad-hoc NETwork

Vaibhav Kumar Mehta, Filippo Arrichiello|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 09.

Distributed Control Multi-Agent Systems참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 재난 후 환경에서 고정된 기지국과 이동하는 자율 에이전트 사이의 다중 홉 연결성을 유지하기 위해 이동하는 로봇 팀을 위한 분산형 행동 기반 제어 전략을 제안한다. 현장 위치 및 통신 데이터를 기반으로 로봇들은 널 공간 행동 제어를 통해 자율적으로 구성되며, 동적 모바일 애드혹 네트워크(MANET)를 형성한다. 실험 검증 결과, 다섯 대의 지상 로봇을 사용하여 에이전트가 기지국으로부터 100미터 이상 이동하면서도 최소한의 패킷 손실을 기록하였다.

ABSTRACT

The problem of maintaining a wireless communication link between a fixed base station and an autonomous agent by means of a team of mobile robots is addressed in this work. Such problem can be of interest for search and rescue missions in post disaster scenario where the autonomous agent can be used for remote monitoring and first hand knowledge of the aftermath, while the mobile robots can be used to provide the agent the possibility to dynamically send its collected information to an external base station. To study the problem, a distributed multi-robot system with wifi communication capabilities has been developed and used to implement a Mobile Ad-hoc NETwork (MANET) to guarantee the required multi-hop communication. None of the robots of the team possess the knowledge of agent's movement, neither they hold a pre-assigned position in the ad-hoc network but they adapt with respect to the dynamic environmental situations. This adaptation only requires the robots to have the knowledge of their position and the possibility to exchange such information with their one-hop neighbours. Robots' motion is achieved by implementing a behavioural control, namely the Null-Space based Behavioural control, embedding the collective mission to achieve the required self-configuration. Validation of the approach is performed by means of demanding experimental tests involving five ground mobile robots capable of self localization and dynamic obstacle avoidance.

연구 동기 및 목표

• 기반 시설이 없는 환경에서 이동 에이전트와 고정 기지국 간 지속적인 다중 홉 통신을 가능하게 하기 위해.
• 에이전트의 경로나 할당된 역할에 대한 사전 지식 없이도 로봇들이 중앙 집중식 제어 없이 자율적으로 구성될 수 있는 탈중앙화된 제어 전략을 개발하기 위해.
• 로봇들이 지역 정보와 단일 홉 이웃 통신만을 사용하여도 동적인 임무 중 안정적인 연결성을 확보하기 위해.
• 장애물과 변동하는 무선 범위와 같은 실제 제약 조건이 존재하는 대규모 실내 환경에서 이 접근 방식을 검증하기 위해.
• 수색 및 구조 작업 시 원거리 모니터링을 위한 자율 로봇 릴레이의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 연결성 유지 기능을 다른 작업보다 우선시하는 널 공간 기반 행동 제어를 사용한 행동 기반 제어 프레임워크.
• 각 로봇이 자체 위치와 단일 홉 이웃 통신 데이터를 사용하여 자율적으로 운동 참조를 계산한다.
• 라우팅 테이블 데이터와 네트워크 토폴로지 변화를 기반으로 연결성과 관련된 행동을 동적으로 활성화하는 전략.
• 다중 홉 라우팅을 위해 olsrd 프로토콜을 활용하여 자동 경로 탐색 및 재구성 기능을 제공한다.
• 에이전트와 기지국 사이 또는 릴레이 노드들 사이의 거리를 균일하게 유지하여 통신 체인의 안정성을 확보한다.
• 중앙 집중식 조정이나 전역 경로 지식 없이도 지역 센서와 통신에만 의존하는 접근 방식이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에이전트의 궤적에 대한 사전 지식 없이도 이동하는 로봇 팀이 동적으로 다중 홉 연결성을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 로봇들이 지역 정보만을 사용하여 탈중앙화된 방식으로 강력한 MANET로 자율 구성할 수 있는 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 장애물과 변동하는 무선 범위와 같은 실제 조건에서 행동 기반 접근 방식이 연결성을 유지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 대규모 실내 환경에서 장거리 이동 시 패킷 손실과 통신 신뢰성 측면에서 시스템의 성능은 어떠한가?
• RQ5 이동성 또는 환경 변화로 인해 링크가 끊어질 경우 시스템이 어떻게 동적 재구성 처리를 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 로봇 기반 MANET은 자율 에이전트가 기지국으로부터 약 100미터 이상 이동할 수 있도록 성공적으로 지원하였으며, 이는 직접 통신 범위인 20~25미터를 훨씬 초월하는 것이다.
• 임무 기간 동안 손실된 패킷 수가 제한적으로 발생하였으며, 주로 라우팅 재구성 단계에서 일시적인 현상으로 발생하였다.
• 에이전트가 교차로를 통과하거나 라인 오브 사이트 조건이 악화되는 상황에서도 전체 네트워크의 연결성이 지속적으로 유지되었다.
• olsrd 프로토콜은 새로운 다중 홉 경로를 수립하는 데 몇 초가 소요되었지만, 활성화되면 네트워크는 안정된 상태를 유지하였다.
• 로봇들은 최적의 릴레이 위치를 유지하기 위해 위치를 동적으로 재구성하였으며, 한 대의 로봇이 에이전트와 기지국 사이의 다리를 담당하였다.
• 실험 기간은 약 700초였으며, 이 기간 동안 에이전트는 지속적인 UDP/IP를 통한 데이터 전송을 유지하면서 라운드트립 임무를 완수하였다.