[논문 리뷰] Distributed Navigation of Multi-Robot Systems For Sensing Coverage

Waqqas Ahmad|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 29.

Distributed Control Multi-Agent Systems참고 문헌 266인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 가중 친구 근접 규칙과 유사도 기반 협업을 사용하여 분산형 다중로봇 커버리지 제어 프레임워크를 제안한다. 이는 합의 속도와 안정성을 햖थ기기 위해 제안된다. 양자화된 제어 하에서 속도 및 방향에 대한 이완된 합의 기준을 도입하여 수학적 분석과 시뮬레이션을 통해 향상된 수렴성과 감소된 순환 행동을 입증한다.

ABSTRACT

This research investigates decentralized control of mobile robots specifically for coverage problems. There are different approaches associated with decentralized control strategy for coverage control problems. We perform a comparative review of these approaches and use the approach based on simple local coordination rules. We investigate this extensively used nearest neighbour rule based approach for developing coverage control algorithms. In this approach, a mobile robot gives an equal importance to every neighbour robot coming under its communication range. We develop our control approach by making some of the mobile robots playing a more influential role than other members in the team. The approach based on this control strategy becomes efficient in terms of achieving a consensus on control inputs, say heading angle, velocity, etc. The decentralized control of mobile robots can also exhibit a cyclic behaviour under some physical constraints like a quantized orientation of mobile robot. We further investigate the cyclic behaviour appearing due to the quantized control of mobile robots under some conditions. Our nearest neighbour rule based approach offers a biased strategy in case of cyclic behaviour appearing in the team of mobile robots. We consider a clustering technique inside the team of mobile robots. Our decentralized control strategy calculates the similarity measure among the neighbours of a mobile robot. The team of mobile robots with the similarity measure based approach becomes efficient in achieving a fast consensus like on heading angle or velocity. We perform a rigorous mathematical analysis of our developed approach. We also develop a condition based on relaxed criteria for achieving consensus on velocity or heading angle of the mobile robots. Our validation approach is based on mathematical arguments and extensive computer simulations.

연구 동기 및 목표

• 대규모 다중로봇 시스템에서 센서 커버리지 작업을 위한 중심 집중식 제어의 한계를 해결한다.
• 분산 협업에서 동일한 가중치를 가진 이웃 규칙의 비효율성과 취약성을 극복한다.
• 지역 정보를 기반으로 한 방향 및 속도에 대한 신속한 합의를 가능하게 하는 강건하고 확장 가능한 제어 전략을 개발한다.
• 이동 로봇 네트워크에서 양자화된 제어 입력으로 인한 순환 행동을 조사하고 완화한다.
• 스토케스틱하고 비주기적인 가중치 행렬 하에서 로봇 네트워크의 합의를 달성하기 위한 이완된 수학적 기준을 수립한다.

제안 방법

• 근접 이웃 규칙에 가중 평균 함수를 적용하여 이웃 로봇에 대해 관련성 또는 역할에 따라 다르게 영향을 미치게 한다.
• 이웃 로봇 간의 유사도 측정을 도입하여 합의 계산에서 더 일관성 있거나 관련성이 높은 에이전트를 우선순위화한다.
• 선형 동적 시스템 $ x(k) = W_k x(k-1) $ 를 수립하며, 여기서 $ W_k $ 는 비음수 대각 성분을 가진 확률적, 비가역적, 비주기적인 가중치 행렬이다.
• $ \mathbb{E}[W_k] $ 의 스펙트럼 성질에 기반한 합의를 위한 필요 및 충분 조건을 유도하며, 특히 단일 고유값이 단위 크기를 가져야 한다는 조건이 필요하다.
• 다양한 배치 및 통신 시나리오 하에서 광범위한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론적 프레임워크를 검증한다.
• 약한 에르고딕 이론을 적용하여 비 i.i.d. 및 비대각 성분이 양수인 가중치 행렬 하에서도 합의를 분석함으로써 더 넓은 적용 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙 집중식 제어 없이 분산형 다중로봇 시스템이 제어 입력(예: 방향, 속도)에 대해 더 빠른 합의를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 가중 평균 및 유사도 측정을 도입했을 때 분산형 커버리지 제어에서 수렴 속도와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 양자화된 제어 입력으로 인해 순환 행동이 발생하는 다중로봇 시스템에서 합의가 어떤 조건에서 달성될 수 있는가?
• RQ4 가중치 행렬이 엄격하게 대각 성분이 양수이거나 i.i.d.가 아닐 경우에도 합의를 위한 이완된 기준을 유도할 수 있는가?
• RQ5 통신 제약 조건과 네트워크 토폴로지가 분산형 커버리지 알고리즘의 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 간단한 평균화와 비교해 가중 평균 함수 접근법이 분산형 커버리지 제어에서 수렴 속도를 크게 향상시키고 진동을 감소시킨다.
• 이웃 간의 유사도 측정 도입으로 방향 및 속도에 대한 합의를 달성하기 위한 선형 반복 수를 감소시킨다.
• 양자화된 방향 제어로 인한 순환 행동은 가중 평균 기반의 편향된 제어 전략을 통해 효과적으로 완화된다.
• 합의를 위한 필요 및 충분 조건이 확립되었으며, $ \mathbb{E}[W_k] $ 가 유일한 고유값을 단위 크기로 가져야 한다. 이는 $ W_k $ 가 엄격하게 대각 성분이 양수가 아닐 경우에도 적용 가능하다.
• 이완된 합의 기준은 여전히 합의를 보장하는 비주기적이고 강하게 연결된 가중치 행렬의 설계를 가능하게 하여 실용적 적용 범위를 넓힌다.
• 컴퓨터 시뮬레이션은 이론적 결과를 확인하였으며, 랜덤 및 구조화된 배치 조건 하에서 방향 각도 수렴 및 속도 합의가 발생하는 것을 보여준다.