[论文解读] Loosely Coupled Payload Transport System with Robot Replacement

Pulkit Verma, Rahul Tallamraju+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出了一种松散耦合的多机器人载荷运输系统，通过自动机器人替换机制，将系统运行时间扩展至超过单个机器人电池续航限制。采用集中式优化框架，调度低电量机器人在边缘充电站由充电机器人完成替换，通过真实世界实验与五机器人编队的仿真，实现携带载荷长达60分钟的运行时间——比基础40分钟无载荷续航时间多出20分钟。

ABSTRACT

In this work, we present an algorithm for robot replacement to increase the operational time of a multi-robot payload transport system. Our system comprises a group of nonholonomic wheeled mobile robots traversing on a known trajectory. We design a multi-robot system with loosely coupled robots that ensures the system lasts much longer than the battery life of an individual robot. A system level optimization is presented, to decide on the operational state (charging or discharging) of each robot in the system. The charging state implies that the robot is not in a formation and is kept on charge whereas the discharging state implies that the robot is a part of the formation. Robot battery recharge hubs are present along the trajectory. Robots in the formation can be replaced at these hub locations with charged robots using a replacement mechanism. We showcase the efficacy of the proposed scheduling framework through simulations and experiments with real robots.

研究动机与目标

• 解决在协同多机器人载荷运输任务中单个机器人电池续航时间受限的关键问题。
• 设计一种系统，使载荷运输能够持续进行，超越任一单个机器人的电池续航极限。
• 开发一种调度算法，在确保系统连续性的前提下，最小化不必要的机器人替换次数。
• 实现无需人工干预的自主机器人替换，利用支持机器人在指定充电站完成替换操作。
• 通过真实硬件实验与Gazebo仿真验证系统的有效性。

提出的方法

• 多机器人系统采用领航-跟从编队结构，基于相对位姿（距离与角度）的分布式控制，以维持载荷稳定性。
• 通过机器人上的电流与电压传感器监测电池电量，并将数据共享至中央服务器以供优化使用。
• 建立整数二次规划（IQP）模型，用于确定哪些机器人应处于编队中（放电状态），哪些应处于充电站（充电状态），并使用CPLEX求解。
• 优化目标为最小化替换次数，同时确保系统持续运行，二元决策变量表示机器人状态（1 = 编队中，0 = 在充电站）。
• 物理机器人替换通过充电站的支持机器人执行，其协助完成机器人抬升与重新定位，以在替换过程中保持载荷平衡。
• 仅在必要时使用支持机器人，以防止载荷失衡，尤其在多次或复杂替换操作中。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使多机器人载荷运输系统在超越单个机器人电池寿命的前提下实现持续运行？
• RQ2 何种优化策略可在确保系统稳定性与任务连续性的前提下，最小化机器人替换次数？
• RQ3 如何在移动编队中实现无需人工干预的自主机器人替换，同时将载荷扰动降至最低？
• RQ4 使用机器人替换技术，实际硬件与仿真环境下载荷运输系统的可实现运行时长是多少？
• RQ5 当在单个充电站或多个充电站进行多次替换时，系统性能如何？

主要发现

• 仅使用初始机器人电池容量，系统在无载荷时可运行40分钟，在携带6公斤载荷时可运行25分钟。
• 通过所提出的机器人替换算法，系统在携带载荷时将运行时间延长至约60分钟，较之前提升20分钟。
• 在真实实验中，每次机器人替换过程耗时约3分钟，且通过支持机器人确保了载荷的稳定处理。
• 系统成功应对了在单个充电站及多个充电站的多次替换操作，展现出良好的可扩展性与鲁棒性。
• Gazebo仿真验证了系统在九台机器人场景下的行为表现，其中五台在编队中，三座充电站各配备一台充电机器人。
• 优化框架成功识别出低电量机器人及各充电站的可用充电机器人，实现了无需人工干预的自主调度。