[論文レビュー] IR-based Communication and Perception in Microrobotic Swarms

Sergey Kornienko, Olga Kornienko|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2011

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 16被引用数 18

ひとこと要約

本論文では、低コストで埋め込み可能な赤外線（IR）センサーやマイコンを用いた、ミクロボットスワームを対象としたIRベースの通信および認識システムを提示する。ハードウェアレベルの信号処理と最適化されたソフトウェアプロトコルを組み合わせることで、Jasmineミクロボットスワームにおける方向性通信、障害物検出、物体認識を実現し、改良版ハードウェアを用いることで、確実な1〜5秒のメッセージ送信と確認を達成した。

ABSTRACT

In this work we consider development of IR-based communication and perception mechanisms for real microrobotic systems. It is demonstrated that a specific combination of hardware and software elements provides capabilities for navigation, objects recognition, directional and unidirectional communication. We discuss open issues and their resolution based on the experiments in the swarm of microrobots "Jasmine".

研究の動機と目的

• リソース制限のあるミクロボットスワームにおける信頼性の高い低レベルの通信および認識の課題に取り組む。
• ミクロボットにおける制限されたセンシング範囲、低処理能力、制限されたエネルギー予算といったハードウェア的制限を克服する。
• IR信号を用いた方向性および単方向通信を実現するスケーラブルで低コストなソリューションを開発する。
• 最適化されたIRセンサ構成と信号処理を用いて、物体認識および近接センシングを可能にする。
• 高レベルの記号的処理に依存しないようにするため、ハードウェア・ソフトウェア共同設計のプロトコルを設計する。ここでは、体現的でリアルタイムな相互作用を重視する。

提案手法

• ATmega 168 をメイン制御用、ATmega 88 をモーターおよびセンサ制御用として使用する二重マイコンアーキテクチャを採用する。
• 方向性センシングおよび通信に、狭beamのIR発光素子（例：TSAL5100、TSTS7100）と広角受光素子（TEFT4300）を組み合わせる。
• RC分周フィルタとコンパレータを用いたハードウェアレベルの信号検出により、IRパルスを検出すると割り込みを発生させる。
• PCM符号化を適用し、パルスの持続時間測定によって、近接信号（1ms）と通信パルス（2ms）を区別する。
• 10〜150msのサイクルで、全6つの通信チャネルを順次スキャンし、受信信号を検出する。
• 事前に定義されたチャネル番号付けにより、送信および受信チャネルを同期させ、双方向通信の確率を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制限されたハードウェアリソースを持つミクロボットスワームにおいて、信頼性の高い低帯域幅通信をどのように実現できるか？
• RQ2 IRセンサを用いた効果的な物体認識および近接センシングを実現するためのハードウェアおよびソフトウェア技術は何か？
• RQ3 最小限の処理オーバーヘッドで、リアルタイムに近接信号と通信パルスを区別するにはどうすればよいか？
• RQ4 マルチチャネルIRシステムにおける通信障害の主な原因は何か。また、それらをどのように緩和できるか？
• RQ5 ハードウェアトリガーによる信号処理は、スワームロボティクスにおいて高レベルの記号的計算に依存する程度をどの程度低減できるか？

主な発見

• 高出力のIR発光素子とフォトトランジスタの組み合わせにより、最大300mmの範囲でIR距離センシングを用いた信頼性の高い物体認識が可能となった。
• ハードウェアベースのパルス検出（持続時間および強度）により、ソフトウェア負荷が軽減され、リアルタイム応答が可能になった。1サイクルあたり1.2msで信号スキャンが完了した。
• チャネル同期の制約により、双方向通信の成功確率は最大1/36に制限され、改良版では1〜5秒のメッセージ送信遅延が生じた。
• センサーボードのバージョンIIおよびバージョンIIIでは、バージョンIの20〜60秒から1〜5秒にまでメッセージ送信時間（確認付き）が短縮され、ハードウェア改善の影響が明確に示された。
• シャーシの幾何学的形状および光学的遮断により、通信デッドゾーンが生じ、360°通信範囲が平均10%〜15%減少した。
• 信号検出にハードウェア割り込みを用いることで、リソース制限のあるミクロボットにおける応答性が著しく向上し、計算オーバーヘッドが低減した。