[论文解读] Distributed Navigation of Multi-Robot Systems For Sensing Coverage

Waqqas Ahmad|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2016

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 266被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于加权最近邻规则和基于相似性的协作机制的去中心化多机器人覆盖控制框架，以提升一致性速度与稳定性。该方法在量化控制下引入了放松的一致性准则，用于速度与航向，通过数学分析与仿真验证了其在收敛性提升与循环行为减少方面的优势。

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.

研究动机与目标

• 解决大规模多机器人系统在传感覆盖任务中集中式控制的局限性。
• 克服去中心化协作中均等权重邻居规则的低效与脆弱性。
• 开发一种鲁棒且可扩展的控制策略，仅利用局部信息实现航向与速度的快速一致性。
• 研究并缓解移动机器人网络中因量化控制输入引发的循环行为。
• 在随机、非周期性权重矩阵条件下，建立实现机器人网络一致性的放松数学准则。

提出的方法

• 在最近邻规则中采用加权平均函数，根据相关性或角色差异赋予邻近机器人不同的影响权重。
• 引入邻近机器人之间的相似性度量，以在一致性计算中优先选择更一致或更相关的代理。
• 建立线性时变系统 $ x(k) = W_k x(k-1) $，其中 $ W_k $ 为具有非负对角线元素的随机、不可约且非周期性权重矩阵。
• 基于 $ \mathbb{E}[W_k] $ 的谱特性，推导一致性所需且充分的条件，特别要求其具有唯一的模为1的特征值。
• 通过在各种部署与通信场景下进行大量计算机仿真，验证理论框架的有效性。
• 应用弱遍历性理论分析非独立同分布及非对角正元素权重矩阵下的一致性，从而扩大其适用范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 去中心化多机器人系统如何在无集中协调的情况下，实现控制输入（如航向与速度）的更快一致性？
• RQ2 引入加权平均与相似性度量对去中心化覆盖控制中收敛速度与稳定性有何影响？
• RQ3 在导致循环行为的量化控制输入下，多机器人系统在何种条件下可实现一致性？
• RQ4 当权重矩阵非严格对角正或非独立同分布时，能否推导出一致性的放松准则？
• RQ5 通信约束与网络拓扑如何影响去中心化覆盖算法的性能？

主要发现

• 与简单平均相比，加权平均函数方法在去中心化覆盖控制中显著提升了收敛速度并减少了振荡。
• 引入邻居间的相似性度量可减少实现航向与速度一致性所需的线性迭代次数。
• 通过基于加权平均的有偏控制策略，有效缓解了因量化方向控制引发的循环行为。
• 确立了一致性所需且充分的条件：即使 $ W_k $ 非严格对角正，$ \mathbb{E}[W_k] $ 也必须具有唯一的模为1的特征值。
• 放松的一致性准则允许设计非周期性、强连通的权重矩阵，同时仍能保证一致性，从而拓宽了实际应用的范围。
• 计算机仿真验证了理论结果，显示在随机与结构化部署下，航向角与速度一致性均能实现收敛。