[논문 리뷰] Traffic Management Strategies for Multi-Robotic Rigid Payload Transport Systems

Yahnit Sirineni, Pulkit Verma외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 27.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 정적 장애물이 존재하는 동적 환경에서 다중 로봇 강체 적재물 운반 시스템의 교통 관리에 대해 탈중앙화된 리더-팔로워-ORCA-RRT* 프레임워크를 제안한다. 충돌 회피에는 수정된 nh-ORCA를, 경로 계획에는 RRT*를 사용한다. 이 시스템은 정적 장애물이 존재하는 환경에서도 충돌 없이 형성 안정성을 유지하며, 최대 30개의 시스템을 대상으로 한 시뮬레이션에서 확장성과 최소한의 경로 이탈을 입증한다.

ABSTRACT

In this work, we address traffic management of multiple payload transport systems comprising of non-holonomic robots. We consider loosely coupled rigid robot formations carrying a payload from one place to another. Each payload transport system (PTS) moves in various kinds of environments with obstacles. We ensure each PTS completes its given task by avoiding collisions with other payload systems and obstacles as well. Each PTS has one leader and multiple followers and the followers maintain a desired distance and angle with respect to the leader using a decentralized leader-follower control architecture while moving in the traffic. We showcase, through simulations the time taken by each PTS to traverse its respective trajectory with and without other PTS and obstacles. We show that our strategies help manage the traffic for a large number of PTS moving from one place to another.

연구 동기 및 목표

• 공동으로 사용하는 환경 내에 장애물이 존재하는 다중 강체 적재물 운반 시스템(PTS)을 조율하는 과제를 해결하기 위해.
• 다중 PTS 간 및 정적 장애물 간의 충돌을 방지하면서도 형성의 무결성을 유지하기 위해.
• 개별 목표지점으로 향하는 다중 PTS에 대해 효율적이고 확장 가능하며 탈중앙화된 항로를 제공하기 위해.
• 교통 및 환경 제약 조건이 존재하는 상황에서도 경로 이탈을 최소화하고 적시에 도착을 보장하기 위해.

제안 방법

• 정적 장애물을 고려하여 출발지에서 목적지까지 리더의 최적 경로를 RRT*로 계산한다.
• 실시간으로 리더의 충돌 방지를 위한 선형 및 각속도를 계산하기 위해 수정된 nh-ORCA 알고리즘을 적용한다.
• 형성 기하학을 유지하는 탈중앙화된 리더-팔로워 제어 법칙을 사용하여 팔로워의 속도를 계산한다.
• 리더의 경로를 웨이포인트로 보간하여 전체 형성의 이동을 안내하면서도 원하는 거리와 각도를 유지한다.
• 상대 위치와 예측 경로를 기반으로 동적으로 속도를 조정하여 장애물 및 형성 간 충돌 방지를 통합한다.
• 다양한 형성 형태, 장애물 수, 시스템 규모를 고려한 광범위한 시뮬레이션을 통해 프레임워크를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공동 환경 내에서 정적 장애물이 존재하는 상황에서 다중 강체 적재물 운반 시스템을 상호 간 충돌과 장애물로부터 회피하도록 어떻게 조율할 수 있는가?
• RQ2 밀도가 높은 교통 상황에서 탈중앙화된 제어 아키텍처가 형성의 무결성을 유지하면서 충돌 없는 항로를 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ3 장애물이 존재하는 경우 장애물이 없는 경우에 비해 PTS의 도착까지 소요 시간과 경로 이탈은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 제안된 프레임워크는 안전성과 성능을 저해하지 않은 채 대규모의 PTS에 대해 효과적으로 확장 가능한가?

주요 결과

• 시스템은 정적 장애물이 존재하는 복잡한 환경을 30개의 PTS가 통과하면서 충돌 없이 운행하였고, 형성 붕괴 없이 안정성을 유지하였다.
• 장애물이 많은 환경에서의 도착까지 소요 시간은 장애물이 없는 경우와 유사하여 효율적인 경로 계획과 최소한의 회피 경로 이탈을 의미한다.
• 모든 PTS는 충돌 방지 조치 중에도 약 0.35m의 일관된 팔로워-리더 간 거리를 유지하였다.
• 수정된 nh-ORCA 알고리즘이 이웃 형성 및 장애물과의 충돌을 방지하기 위해 동적으로 속도를 조정하였으며, 특히 임계 거리에 도달했을 때의 속도 변화로 이를 입증하였다.
• 모든 시점에서 최소한의 형성 간 거리가 유지되어 강력한 형성 간 충돌 방지 능력을 확인하였다.
• 시스템은 확장성 면에서 뛰어난 성능을 보였으며, 시뮬레이션에서 PTS 수가 증가함에 따라 안정성과 성능을 유지하였다.