[论文解读] Safe, Remote-Access Swarm Robotics Research on the Robotarium

Daniel Pickem, Li Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2016

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 49被引用 29

一句话总结

本文介绍了Robotarium，一个可远程访问的多机器人测试平台，可在物理集群机器人上安全、实时地执行协调控制算法。通过集成形式化安全方法——特别是屏障证书——该平台可证明实现防碰撞，且运行时开销极小，使研究人员能够部署各类集群控制算法，同时确保硬件安全。

ABSTRACT

This paper describes the development of the Robotarium -- a remotely accessible, multi-robot research facility. The impetus behind the Robotarium is that multi-robot testbeds constitute an integral and essential part of the multi-agent research cycle, yet they are expensive, complex, and time-consuming to develop, operate, and maintain. These resource constraints, in turn, limit access for large groups of researchers and students, which is what the Robotarium is remedying by providing users with remote access to a state-of-the-art multi-robot test facility. This paper details the design and operation of the Robotarium as well as connects these to the particular considerations one must take when making complex hardware remotely accessible. In particular, safety must be built in already at the design phase without overly constraining which coordinated control programs the users can upload and execute, which calls for minimally invasive safety routines with provable performance guarantees.

研究动机与目标

• 通过提供一个远程访问的物理测试平台，解决多机器人系统中理论-仿真-实践之间的鸿沟。
• 克服昂贵、难维护且难以访问的多机器人测试平台的局限性，以扩大研究的可及性。
• 设计一个系统，在远程执行期间确保机器人物理安全，同时不过度限制用户可运行的控制算法类型。
• 通过安全的远程接口，实现对移动机器人机队的灵活、实时部署，支持多种协调控制算法。

提出的方法

• Robotarium使用配备机载控制器和无线通信功能的GRITSBot机器人车队，通过基于Web的界面实现远程控制。
• 中央服务器负责管理机器人状态，执行用户上传的控制代码，并通过基于屏障证书的控制律强制执行安全机制。
• 安全机制以最小侵入性的方式作为运行时叠加层实现，通过修改控制输入来防止碰撞，同时保持原始行为不变。
• 控制算法在基于MATLAB的API环境中执行，抽象了底层硬件细节，支持快速原型开发。
• 通过触摸、手势（Leap Motion）或脑电信号（EEG）接口捕获用户输入，用于任务如覆盖控制，并将其映射为时变密度函数。
• 系统使用Voronoi剖分和面积积分技术，基于用户定义的密度函数计算局部控制输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在确保硬件物理安全的前提下，使大规模多机器人测试平台实现远程访问？
• RQ2 哪些形式化方法可以以最小侵入性的方式强制实现防碰撞，同时保持算法灵活性？
• RQ3 在不损害安全或性能的前提下，多样化的协调控制算法在共享的远程机器人平台上能执行到何种程度？
• RQ4 如何有效将人类输入（例如手势或脑信号）实时转化为机器人集群的动态任务目标？

主要发现

• Robotarium成功实现了对多种集群控制算法的远程执行，包括覆盖控制、汇合控制和队形控制，且设置开销极小。
• 基于屏障证书的安全强制机制可提供可证明的防碰撞效果，且无需修改用户提供的控制律，也未造成显著的运行时性能下降。
• 使用Leap Motion控制器的实验表明，12台GRITSBots可实现实时、由人类引导的覆盖控制，机器人能动态聚集在用户定义的兴趣区域周围。
• 该系统支持多种输入模式——触摸、手势和EEG——用于生成动态任务目标，从而实现新型人机交互范式。
• Robotarium在www.robotarium.org公开可访问，并已用于部署和验证多个算法，仅需极少代码修改。
• 该测试平台的架构支持未来扩展，包括集成具有不同移动模式的机器人（如四旋翼飞行器、双足机器人）以及并行实验执行。