[논문 리뷰] Decentralized Autonomous Navigation Strategies for Multi-Robot Search and Rescue

Ahmad Baranzadeh|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 13.

Optimization and Search Problems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비선형 장애물이 있는 미지의 환경을 완전히 커버할 수 있도록 보장하고, 점점 줄어드는 로봇 수를 갖는 세 가지 탈중앙화된 삼각형 격자 기반 탐색 알고리즘을 제안한다. 공유된 위상 지ap을 사용하고 수학적으로 증명된 확률 1 수렴을 통해 효율적이고 충돌 없는 탐색과 목표 탐지가 보장되며, 시뮬레이션과 Pioneer 3DX 로봇을 이용한 실제 실험을 통해 기존 방법보다 탐색 시간과 커버리지 완전성 면에서 뛰어난 성능을 입증하였다.

ABSTRACT

In this report, we try to improve the performance of existing approaches for search operations in multi-robot context. We propose three novel algorithms that are using a triangular grid pattern, i.e., robots certainly go through the vertices of a triangular grid during the search procedure. The main advantage of using a triangular grid pattern is that it is asymptotically optimal in terms of the minimum number of robots required for the complete coverage of an arbitrary bounded area. We use a new topological map which is made and shared by robots during the search operation. We consider an area that is unknown to the robots a priori with an arbitrary shape, containing some obstacles. Unlike many current heuristic algorithms, we give mathematically proofs of convergence of the algorithms. The computer simulation results for the proposed algorithms are presented using a simulator of real robots and environment. We evaluate the performance of the algorithms via experiments with real robots. We compare the performance of our own algorithms with three existing algorithms from other researchers. The results demonstrate the merits of our proposed solution. A further study on formation building with obstacle avoidance for a team of mobile robots is presented in this report. We propose a decentralized formation building with obstacle avoidance algorithm for a group of mobile robots to move in a defined geometric configuration. Furthermore, we consider a more complicated formation problem with a group of anonymous robots; these robots are not aware of their position in the final configuration and need to reach a consensus during the formation process. We propose a randomized algorithm for the anonymous robots that achieves the convergence to a desired configuration with probability 1. We also propose a novel obstacle avoidance rule, used in the formation building algorithm.

연구 동기 및 목표

• 미지의 장애물이 있는 환경에서 효율적이고 완전한 커버리지 달성을 위한 다중 로봇 시스템의 도전 과제를 해결한다.
• 다중 로봇 탐색 및 구조 작업에서 히우리스틱, 중심집중식 또는 수렴하지 않는 접근 방식의 한계를 극복한다.
• 탐색 및 형성 제어에 대해 엄밀한 수학적 수렴 보장을 제공하는(확률 1) 탈중앙화된 알고리즘을 개발한다.
• 위치 인식 능력이 없는 익명의 로봇을 위한 장애물 회피 기능이 내장된 견고한 형성 구축 능력을 제공한다.
• Pioneer 3DX 로봇을 이용한 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 성능을 검증하고, 기존 방법과의 비교에서 유리한 성능을 확보한다.

제안 방법

• 임의의 유한한 영역을 완전히 커버하고 점점 줄어드는 로봇 수를 확보하기 위해 삼각형 격자 패턴을 활용한다.
• 로봇들이 탐색 작업 중에 동적으로 구축하고 업데이트하는 공유된 위상 지도를 구현하여 방문한 정점과 장애물을 추적한다.
• 세 가지 탐색 알고리즘을 설계한다: (1) 완전히 무작위, (2) 반무작위(방문하지 않은 이웃 우선), (3) 수정된 알고리즘(모든 곳에서 가장 가까운 방문하지 않은 정점으로 이동).
• 익명의 로봇이 국소적 상호작용을 통해 목표 기하 형상을 달성하고 확률 1 수렴을 달성하기 위해 무작위 공감 알고리즘을 적용한다.
• 형성 제어에 새로운 장애물 회피 규칙을 통합하여 장애물 주변을 이동하는 동안 형성의 무결성을 유지한다.
• 모든 제안된 알고리즘에 대해 거의확실한 수렴(확률 1)을 보장하는 엄밀한 수학적 증명을 적용하여 신뢰성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 다중 로봇 탐색 알고리즘이 최소한의 로봇 수로 최소한의 로봇 수로 미지의 유한한 장애물이 있는 영역을 완전히 커버할 수 있는가?
• RQ2 기존의 히우리스틱 접근 방식보다 더 효율적인 탈중앙화된 탐색을 어떻게 실현할 수 있으며, 동시에 확률 1 수렴을 보장할 수 있는가?
• RQ3 중앙집중식 조율 없이도 탈중앙화된 형성 제어 전략이 기하 형상을 유지하고 장애물을 회피할 수 있는가?
• RQ4 위치 지식이 없는 익명의 로봇이 국소적 상호작용을 통해 자율적으로 원하는 형상을 구성할 수 있는가?
• RQ5 실제 다중 로봇 탐색 및 형성 작업에서 제안된 알고리즘이 기존 방법보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 삼각형 격자 기반 탐색 전략은 최소한의 로봇 수로도 임의의 유한한 영역을 완전히 커버할 수 있으며, 점점 줄어드는 최적성( asymptotic optimality)을 달성한다.
• 모든 제안된 탐색 알고리즘은 수학적으로 엄밀히 증명된 확률 1 수렴을 통해 완전한 커버리지에 도달한다.
• 시뮬레이션 결과는 수정된 삼각형 격자 알고리즘이 탐색 시간과 커버리지 효율성 면에서 기존 방법보다 뛰어나다는 것을 보여준다.
• Pioneer 3DX 로봇을 이용한 실제 실험을 통해 제안된 알고리즘의 실용성과 견고성이 실환경에서 확인되었다.
• 장애물 회피 기능이 내장된 형성 제어 알고리즘은 익명의 로봇을 통해 목표 형상을 성공적으로 달성했으며, 확률 1로 수렴하였다.
• 제안된 장애물 회피 규칙은 시뮬레이션과 이론적 분석을 통해 탐색 중에도 형성의 무결성을 효과적으로 유지함을 입증하였다.