[論文レビュー] Dynamic Formation Reshaping Based on Point Set Registration in a Swarm of Drones

Jawad N. Yasin, Sherif A. S. Mohamed+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、障害物の間の狭いすきまを通過する際に速度を落とさずに近似的に最適な再構成を実現するドローンスワーム向けの動的フォーメーション再構築アルゴリズムを提案する。障害物通過後の元のフォーメーションを効率的に回復させるためにポイントセットレジストレーション（PSR）を活用することで、経路のずれを最小限に抑え、従来のセンスアンドアボイド手法と比較して再構成時間を14%短縮する。

ABSTRACT

This work focuses on the formation reshaping in an optimized manner in autonomous swarm of drones. Here, the two main problems are: 1) how to break and reshape the initial formation in an optimal manner, and 2) how to do such reformation while minimizing the overall deviation of the drones and the overall time, i.e., without slowing down. To address the first problem, we introduce a set of routines for the drones/agents to follow while reshaping to a secondary formation shape. And the second problem is resolved by utilizing the temperature function reduction technique, originally used in the point set registration process. The goal is to be able to dynamically reform the shape of multi-agent based swarm in near-optimal manner while going through narrow openings between, for instance obstacles, and then bringing the agents back to their original shape after passing through the narrow passage using point set registration technique.

研究の動機と目的

• ドローンスワームが動的障害物を避けながらフォーメーションを維持し、ミッション時間の短縮を図る課題に対処すること。
• フォーメーション再構築時に減速やホバリングを回避することで、エネルギー消費とミッション時間の低減を実現すること。
• 動的変換によりキュー形式に切り替えることで、滑らかで連続的な通行を可能にすること。
• 障害物通過後にポイントセットレジストレーション（PSR）を用いて元のフォーメーション形状を効率的に回復させること。
• 救助活動や監視などの時間的に重要な応用分野におけるスワームの信頼性とスケーラビリティの向上

提案手法

• 狭い通過路を通過する際のフォーメーション再構築に際し、動的リーダー再選定を伴うリーダーフォロワー型アーキテクチャを採用し、キュー形式を形成する。
• 障害物を検知すると、リーダーがすきまを計算し、スワームを通過する方向に整列させ、フォロワーは一時的なリーダー割り当てにより再構成を行う。
• ターンバック機能は、ポイントセットレジストレーション（PSR）を用いて元のフォーメーションを再確立するための最適なターゲット位置を計算する。
• PSRは、再構成中の総変位とずれを最小限に抑えるために用いられ、収束を促進するための温度関数の低減を活用する。
• 局所的な通信とフィードバック制御を用いてエージェント間の距離維持を強制し、最小分離距離を保つ。
• 本アルゴリズムは2次元で動作し、固定高度を維持する。前進を継続的に優先することで、エネルギー消費とミッション時間の低減を図る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドローンスワームは、障害物の間の狭いすきまを通過する際に速度を落とさずに、どのようにフォーメーションを動的に再構築できるか？
• RQ2 障害物通過後に、経路ずれを最小限に抑えながら、元のフォーメーション形状を回復させる最も効率的な方法は何か？
• RQ3 ポイントセットレジストレーション（PSR）は、分散型の局所的再構成と比較して、フォーメーション再統合の速度と正確さをどのように向上させるか？
• RQ4 標準的なセンスアンドアボイドにフォーメーション制御を組み合わせた手法と比較して、本手法はミッション時間とエネルギー消費をどの程度低減するか？
• RQ5 再構築中に動的リーダー再選定がフォーメーションの安定性およびドローン間距離の維持に与える影響は何か？

主な発見

• DFRPSRアルゴリズムは、局所的センスアンドアボイド手法と比較して再構成時間を14%短縮し、スワームが元のフォーメーションに回復するまでの時間を97秒（対照群は111秒）にまで短縮した。
• 再構築中、すべてのエージェントが定めた最小距離を維持した。キュー段階ではドローン間距離は7.81mから40mの間で変動した。
• UAV 1とUAV 2間の最小距離は12.8mであったが、移行中における動的リーダーの変更により最大距離が40mに達した。
• UAV 2は移行中、UAV 4のリーダーとして一貫して機能し、中央値距離14.86m、最大距離22.82mを維持した。
• ポイントセットレジストレーション技術により、迅速かつ正確な再配置が可能になり、総変位を最小限に抑え、効率的な再構成が確保された。
• 本手法は静的2次元環境において信頼性の高い性能を示したが、3次元への拡張および空気抵抗などの環境要因の影響は未検証のままである。