[논문 리뷰] Deaf, Dumb, and Chatting Robots, Enabling Distributed Computation and Fault-Tolerance Among Stigmergic Robot

Yoann Dieudonné, Shlomi Dolev외 2명|ArXiv.org|2009. 02. 20.

Optimization and Search Problems참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 청각 및 언어 기능이 없는 이동 로봇을 위한 결정론적 일대일 통신 프로토콜을 제안하며, 동물의 스티그머지적 행동과 유사한 움직임 신호를 사용하여 분산된 로봇 군집에서 명시적 통신과 장애 내성 통신을 가능하게 한다. 주요 기여는 ID가 있는지 여부에 관계없이 동기 및 이방식 로봇 간의 통신을 지원하는 프로토콜 세트로, 메시지를 인코딩하고 전통적인 무선 통신 없이도 신뢰할 수 있는 정보 교환을 달성하는 데에 움직임 패tern을 활용한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 무선 통신을 사용할 수 없는 청각 및 언어 기능이 없는 이동 로봇 간의 명시적 통신을 가능하게 하기 위해.
• 움직임과 상대적 위치 정보만을 사용하여 일대일 통신을 위한 결정론적 프로토콜을 설계하기 위해.
• 식별자가 없고 관찰 가능한 ID가 없는 익명 로봇을 포함한 동기 및 이방식 로봇 시스템을 지원하기 위해.
• 움직임 기반 신호를 통해 통신 장치 고장 발생 시 복구할 수 있도록 장애 내성성을 확보하기 위해.
• 작업 전용 신호를 넘어서 일반 목적의 메시지 교환(예: 대화, 분산 알고리즘)을 지원하기 위해 스티그머지적 통신을 확장하기 위해.

제안 방법

• 벌의 진동 춤과 유사한 움직임 신호를 설계하여 로봇 간에 이진 메시지를 인코딩하기 위해.
• 익명 시스템에서 로봇 식별 및 메시지 라우팅을 가능하게 하기 위해 공통 방향과 치랄리티(우현성/좌현성)를 사용하기 위해.
• 메시지 내용과 수신자 ID를 인코딩하는 구조화된 운동 시퀀스를 통해 일대일 통신을 구현하기 위해.
• 움직임 기반 암시적 확인 응답을 사용하여 동기 프로토콜을 이방식 환경에 적응시키기 위해.
• 메시지를 보낼 때만 움직이는 조용한 통신 모델을 도입하여 에너지 절약을 위해.
• 메시지 인덱스를 인코딩하고 통신 단계를 줄이기 위해 평면의 기하학적 분할(예: 각도 조각 또는 격자 기반 이동)을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 청각 및 언어 기능이 없는 이동 로봇 간에 움직임과 상대 센서 정보만을 사용하여 신뢰할 수 있는 일대일 통신을 달성할 수 있는가?
• RQ2 관찰 가능한 ID가 없는 익명 로봇이 움직임 패턴을 통해 서로를 인식하고 통신할 수 있는가?
• RQ3 움직임 기반 신호가 무선 통신 없이도 장애 내성적인 분산 계산을 지원할 수 있는가?
• RQ4 이방식 로봇 시스템에서 조용하고 에너지 효율적인 통신 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ5 로봇이 움직였다가 돌아온 경우와 정지해 있는 경우를 구분할 수 없는 상황에서의 통신 제약은 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 움직임 신호를 사용하여 동기 및 이방식 시스템을 모두 지원하는 6개의 결정론적 일대일 통신 프로토콜을 제시한다.
• 익명 로봇의 경우, 공통 방향과 치랄리티 또는 치랄리티 자체만을 사용하여 암시적 인식 메커니즘을 구축함으로써 통신을 달성한다.
• 움직임 기반 암시적 확인 응답을 사용함으로써 이방식 통신이 실현되었으며, 오직 두 대의 로봇 간에도 신뢰할 수 있는 메시지 교환을 가능하게 하였다.
• 동기 및 이방식 방식을 조합함으로써 임의의 수의 로봇이 참여하는 일반적인 이방식 시스템에서도 프로토콜를 적용할 수 있도록 확장 가능하다.
• 동기 시스템에서는 통신 프로토콜가 조용하며, 로봇은 메시지를 보낼 때만 움직이므로 에너지 절약이 가능하다.
• 논문은 이방식 시스템에서의 근본적인 과제를 규명하였다: 움직였다가 돌아온 로봇과 정지해 있는 로봇를 구분할 수 없어, 유한 단계 통신 프로토콜의 성능에 제한을 줄 수 있다.