[论文解读] DOTS: An Open Testbed for Industrial Swarm Robotic Solutions

Simon Peyton Jones, Emma Milner+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2022

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用 15

一句话总结

DOTS 是一个开放获取的5G-enabled测试平台，配备20台高性能、5G连接的机器人，每台机器人均搭载GPU、摄像头和载重能力，适用于工业集群机器人应用。该平台支持远程、平台无关的集群算法开发、仿真与部署，已通过一项完全自主、去中心化的物流任务验证：在五轮实验中，10分钟内成功完成五辆载货运输车的回收，成功率100%。

ABSTRACT

We present DOTS, a new open access testbed for industrial swarm robotics experimentation. It consists of 20 fast agile robots with high sensing and computational performance, and real-world payload capability. They are housed in an arena equipped with private 5G, motion capture, multiple cameras, and openly accessible via an online portal. We reduce barriers to entry by providing a complete platform-agnostic pipeline to develop, simulate, and deploy experimental applications to the swarm. We showcase the testbed capabilities with a swarm logistics application, autonomously and reliably searching for and retrieving multiple cargo carriers.

研究动机与目标

• 通过提供一个完全可访问、开放的测试平台，配备真实世界中的机器人集群，降低工业集群机器人领域的进入门槛。
• 通过统一的开发流水线，实现去中心化集群算法的快速原型设计与部署。
• 通过真实世界中的机器人集群，证明完全自主、去中心化物流任务的可行性。
• 为动态、低基础设施环境（如小型仓库和临时设施）提供可扩展、鲁棒且可重构的集群解决方案支持。

提出的方法

• 该测试平台包含20台定制的DOTS机器人，尺寸为250毫米，续航6小时，配备机载GPU和2公斤载重能力。
• 机器人配备前向摄像头、用于位姿估计的向上摄像头、飞行时间传感器，以及支持低延迟通信的5G连接。
• 场地配备动作捕捉系统、俯视摄像头和专用5G网络，实现精确跟踪与实时遥测。
• 基于云的门户支持远程访问、实验部署和数据下载，通过跨平台IDE兼容Windows、Linux和macOS。
• 仿真环境支持在物理部署前对控制器进行本地测试与验证。
• 该系统支持数字孪生，并可通过云基础设施实现与物理世界和虚拟世界的未来集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具备高算力与感知能力的真实机器人集群上，可靠地执行完全去中心化、自主的集群物流任务？
• RQ2 平台无关的开发流水线在降低集群机器人实验门槛方面有多有效？
• RQ3 高性能机器人与5G连接在真实环境中能在多大程度上提升工业集群机器人的可扩展性与鲁棒性？
• RQ4 真实世界性能指标（如任务完成时间与成功率）与去中心化集群操作的理论最小值相比如何？

主要发现

• 在五轮实验中，集群成功回收了全部五辆载货运输车，成功率100%。
• 平均任务完成时间为178秒，各轮用时在99至327秒之间。
• 该任务的理论最小时间为26秒，表明真实世界中的延迟主要源于搜索、协调与机动性约束。
• 系统在多次实验中表现出可靠性能，即使机器人初始朝向与载具初始位置随机变化亦无影响。
• 利用机载GPU与实时视频处理，通过向上摄像头实现了对载货运输车的精确、自主抓取与定位。
• 开发流水线成功实现了从仿真到真实世界部署的快速过渡，验证了端到端工作流的可行性。