[논문 리뷰] Multi-objective Compositions for Collision-Free Connectivity Maintenance in Teams of Mobile Robots

Li Wang, Aaron D. Ames외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 24.

Distributed Control Multi-Agent Systems참고 문헌 17인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 다수의 이행 불가능한 목표—충돌 회피 및 연결성 유지—를 증명 가능하게 강제하기 위해 AND/OR 논리 연산자를 사용한 조합형 장벽 함수를 제안한다. 이중 정수계획법을 통해 복합적인 안전성 및 연결성 장벽 증명서를 합성함으로써, 일반적인 조율 작업 중에 증명 가능하게 안전하고 연결된 로봇 운동을 보장한다. 실험적으로 네 대의 Khepera III 로봇을 대상으로 실시간으로 안전성 및 연결성 제약 조건을 준수함을 검증하였다.

ABSTRACT

Compositional barrier functions are proposed in this paper to systematically compose multiple objectives for teams of mobile robots. The objectives are first encoded as barrier functions, and then composed using AND and OR logical operators. The advantage of this approach is that compositional barrier functions can provably guarantee the simultaneous satisfaction of all composed objectives. The compositional barrier functions are applied to the example of ensuring collision avoidance and static/dynamical graph connectivity of teams of mobile robots. The resulting composite safety and connectivity barrier certificates are verified experimentally on a team of four mobile robots.

연구 동기 및 목표

• 다중 로봇 시스템에서 여러 안전성 및 연결성 목표를 증명 가능 보장을 잃지 않고 조합하는 문제에 대응하기 위해.
• 이행 불가능한 목표들인 충돌 회피 및 통신 연결성 등을 모바일 로봇 팀에서 체계적으로 통합하기 위한 공식적이고 체계적인 방법을 개발하기 위해.
• 위반이 예상될 때에만 안전성 및 연결성 제약 조건을 활성화하여 고수준 제어기의 간섭을 최소화하기 위해.
• 통합된 증명 가능 정확한 장벽 함수 조합을 통해 모든 목표를 동시에 충족시키기 위해.
• 웨이포인트 항법을 수행하는 네 대의 모바일 로봇 팀에서 제안된 방법을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 다중 로봇 시스템에서 안전하고 연결된 집합의 전방 불변성을 위한 제어 장벽 함수를 체계화한다.
• 개별 장벽 함수의 논리적 조합에서 발생하는 복합 목표를 다루기 위해 조각별로 매끄러운 장벽 함수를 도입한다.
• 여러 장벽 함수를 단일 복합 장벽 함수로 조합하기 위해 AND 및 OR 논리 연산자를 사용하여 모든 목표가 동시에 충족됨을 보장한다.
• 다수의 목표가 조합 가능한 조건을 유도하여 복합 안전성 및 연결성 증명서의 시스템적 합성을 가능하게 한다.
• 이중 정수계획법(QP) 기반 제어기를 사용하여 명시적 고수준 제어를 복합 장벽 함수와 최적으로 융합함으로써 원래 운동 계획에 대한 간섭을 최소화한다.
• 이 방법을 네 대의 Khepera III 로봇 팀에 적용하여, 실시간으로 궤적과 연결 상태를 시각화하기 위해 천정 카메라와 프ro젝터를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 충돌 회피 및 연결성 유지와 같은 다수의 이행 불가능한 목표를 공식적 방법을 사용해 체계적으로 조합할 수 있는가? 이 경우 증명 가능 보장을 확보할 수 있는가?
• RQ2 다양한 장벽 함수를 단일 복합 장벽 함수로 조합하기 위해 사용할 수 있는 논리적 조합 규칙(AND/OR)은 무엇인가? 이는 모든 목표가 동시에 충족됨을 보장하는가?
• RQ3 결과로 도출된 복합 장벽 함수는 고수준 조율 목표에 대한 간섭을 최소화하면서 실시간 로봇 제어에 어떻게 구현할 수 있는가?
• RQ4 다중 로봇 시스템에서 다수의 장벽 함수 조합이 실현 가능하고 안정적인 조건은 무엇인가?
• RQ5 제안된 방법은 임의의 임무 수행을 방해하지 않으면서도 실제 로봇 실험에서 안전성과 연결성을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 복합 안전성 장벽 증명서는 웨이포인트 항법 중 네 대의 로봇 간 모든 쌍 간 충돌을 성공적으로 방지하였으며, 모든 로봇 간 거리는 안전 기준인 0.15m 이상으로 일관되게 유지되었다.
• 복합 안전성 및 연결성 장벽 증명서는 실험 전반에 걸쳐 팀 전체의 연결성을 유지하였으며, 모든 필수 거리 제약 조건(예: D23 < 0.6m, min(D12,D13) < 0.6m)이 항상 충족되었다.
• 연결성 제약 조건이 없는 실험에서는 팀이 종종 분리된 하위 그룹으로 나뉘는 경우가 있었으며, 이는 충돌 회피만으로는 연결성이 자동으로 유지되지 않음을 보여주었다.
• 고수준 웨이포인트 계획이 연결성 제약 조건을 위반할 경우, 로봇 팀은 최종 웨이포인트에 도달할 수 없었으며, 이는 모든 임무 목표가 안전성 및 연결성 요구 조건과 호환되지 않는다는 것을 시사한다.
• QP 기반 제어기는 명시적 웨이포인트 명령과 장벽 함수 제약 조건을 효과적으로 균형 잡아, 과도한 제어 포화나 불안정 없이 실시간 준수를 보장하였다.
• 실험 결과는 조합형 장벽 함수 접근법이 다중 로봇 시스템에서 증명 가능하고 최소한의 간섭을 초래하는 조율을 가능하게 한다는 것을 확인하였다.