[논문 리뷰] Distributed Formation Control for Autonomous Robots in Dynamic Environments

Anh Duc Dang, Hung Manh La외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 04.

Distributed Control Multi-Agent Systems참고 문헌 7인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 가상 노드로 구성된 원하는 형상(예: V자형, 원형)을 형성하는 데 유도하기 위해 인공력장(artificial force fields)을 사용하여 동적인 환경에서 자율 로봇의 분산 형성 제어 방법을 제안한다. 리아푸노프 안정성 분석과 복합적으로 조합된 회전력장과 반발력장의 새로운 조합을 통해 충돌 없이 안정적인 수렴을 보장한다. 이는 볼록 및 비볼록 장애물 모두에 효과적이다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel and distributed formation control method for autonomous robots to follow the desired formation while tracking a moving target in dynamic environments. In our approach, the desired formations, which include the virtual nodes arranged into specific shapes, are first generated. Then, autonomous robots are controlled by the proposed artificial force fields in order to converge to these virtual nodes without collisions. The stability analysis based on the Lyapunov approach is given. Moreover, a new combination of rotational force field and repulsive force field in designing an obstacle avoidance controller allows the robot to avoid and escape the convex and nonconvex obstacle shapes. The V-shape and circular shape formations with their advantages are utilized to test the effectiveness of the proposed method.

연구 동기 및 목표

• 동적인 장애물이 있는 환경에서 자율 로봇이 원하는 기하학적 형상을 유지할 수 있도록 하는 것.
• 볼록 및 비볼록 장애물이 존재하는 상황에서 충돌 없는 형성 제어 문제를 해결하는 것.
• 중앙 집중식 조율이나 전역 정보에 의존하지 않는 분산 제어 전략을 개발하는 것.
• 리아푸노프 기반 분석을 통해 가상 형성 노드로의 로봇 수렴의 안정성과 수렴성을 보장하는 것.

제안 방법

• 특정 기하학적 형상(예: V자형, 원형 구성)을 형성하기 위해 가상 노드를 사전 정의한다.
• 각 로봇이 할당된 가상 노드로 유도되도록 인공력장을 설계하여 수렴을 보장한다.
• 복합력장은 회전력장과 반발력장을 조합하여 볼록 및 비볼록 형태의 장애물 주변에서 효과적인 장애물 회피를 가능하게 한다.
• 제어 법칙은 분산식이므로 각 로봇은 이웃 로봇과 자신의 센서로부터의 국소 정보만을 사용한다.
• 리아푸노프 안정성 분석을 적용하여 로봇이 원하는 형성으로 점차 수렴하는 것을 증명한다.
• 실시간 장애물까지의 거리에 따라 힘장이 동적으로 조정되어 장애물 회피가 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자율 로봇은 동적인 환경에서 움직이는 목표를 추적하면서 어떻게 원하는 형상을 유지할 수 있는가?
• RQ2 어떤 분산 제어 전략이 가상 형성 노드로의 충돌 없는 수렴을 보장하는가?
• RQ3 어떻게 인공력장을 설계하여 볼록 및 비볼록 장애물을 효과적으로 처리할 수 있는가?
• RQ4 분산 형성 제어 프레임워크에서 안정성과 수렴성을 보장하는 요건은 무엇인가?
• RQ5 제안된 방법은 목표의 동적 운동과 환경적 요란성 하에서도 형상을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 V자형 및 원형 형상 모두에서 로봇이 지정된 가상 노드로 안정적으로 수렴함을 확인하였다.
• 리아푸노프 기반 안정성 분석을 통해 제안된 제어 법칙 하에서 시스템의 점차적 수렴이 확인되었다.
• 회전력장과 반발력장의 조합은 볼록 및 비볼록 형태의 장애물 주변에서 효과적인 장애물 회피를 가능하게 하였다.
• 제어 전략의 분산적 성격은 전역 정보가 필요 없이도 확장성과 강건성을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과는 로봇이 형상을 유지하면서 움직이는 목표를 성공적으로 추적하고 장애물을 피하는 것을 보여주었다.