JP2017519279A - 群ロボットの制御 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年5月5日付で出願された「Density-Based Manipulation of Teams of Robots」という名称の米国仮特許出願第61/988,345号、及び、2014年5月5日付で出願された「Adaptive Interactions for Swarming Robots」という名称の米国仮特許出願第61/988,817号の優先権を主張する。これらに言及することにより、そのすべての内容は本出願に組み込まれるものである。
開示技術の実施形態は、主としてマルチロボットまたはマルチエージェント制御に関する。より具体的に、開示技術は、経時的に変化する密度関数を用いる群ロボットの制御に関する。また、開示技術は、一連のフォーメーションを行う群ロボットの制御に関する。
図1は、マルチロボットネットワーク100を示す。ネットワーク100は、空間的に分散した少なくとも2つのロボット110を備えていてもよい。各ロボット110は、エージェントとしても知られている。ネットワーク100は、数百のまたは数千のロボット110を備えていてもよい。図1に示す例において、ネットワーク100は、ロボット110a〜110eを備えていてもよい。各ロボットは、車輪付き陸上ロボット等の移動型ロボットあってもよい。例えば、各ロボットは、K-team社製ケペラスリー(Khepera III)差動駆動移動型ロボット等の差動駆動ロボットであってもよい。
図2は、オペレータ120と群ロボット110との間の情報のやり取りの例を示す。オペレータ120は、群レベルで、例えば、ロボットに高次の指令を与えることによって、ロボットと情報をやり取りしてもよい。ロボットは、ロボット間及び人間のオペレータとの間で交渉してもよい。ロボットは、どのようにタスクを完成させるかを算定してもよい。各ロボットは、各自が決定を行うという意味で、自律式であってもよい。
は、対象範囲を表す2次元凸範囲であってもよい。φ:Dx[0,∞)→(0,∞)は、有界かつ両方の引数で連続微分可能であってもよい密度の陪関数であり、φ(q,t)は、時間tにおけるポイントq∈Dの相対重要度を取り込んでもよい。以下は、密度関数φの2つの例である。
例えば、時間定数は、τ=5であってもよい。例えば、(μx,l(t),μy,l(t))は、時間tにおけるタブレット上のM回の接触のうち、l番目の接触におけるDの位置を表していてもよい。
に関して表されてもよい。ここで、
は、以下の式を通じて、νi,ωi上にマッピングされてもよい。
ロボットがCVTに到達すると、初期化プロセスを終了してもよい。初期化に続いて、ロボットは、各ロボットに実装された経時的に変化する密度関数を実行することによって、CVTを維持してもよい。タイミング情報は、ロボットの動作に含まれていなくてはならない。ロボットは、グローバルフレームにおける方向の感覚を共有する必要がない場合もある。各ロボットは、隣接ロボットの情報に基づいて動作を決定してもよい。
の更新ルールは、pi自体の他にはpj,j∈Nνiにのみ依存していてもよい。Nνiは、ボロノイセルiに隣接する一群のボロノイセルを表していてもよい。境界を共有するのであれば、2つのボロノイセルは隣接しているとすることができる。
以下は、1ホップ隣接性情報で分散された、経時的に変化する密度(TVD−D1)の例である。個々のロボットが実行する最急降下動作
は、以下のように計算されてもよい。
項∂c/∂pを算出するために、ライプニッツの法則を用いる必要がある。以下では、pj (b)は、ベクトルpjのb番目の成分を意味し得る。D⊂
であれば、b=1,2は、平面の場合を表す。ライプニッツの法則に基づいて、以下の式が得られることになる。
図8は、密度関数φ2下でTVD−D1を実行する際の瞬時位置コストを示す。位置コストは、各ロボットが駆動しなくてはならない最小距離を表していてもよい。位置コストは、所与の領域がいかによく被覆されるかを示していてもよい。位置コストは、達成した被覆において、所与のロボット構成がいかに効率的であるかを評価するものであってもよい。位置コストは、以下のように算出されてもよい。
高次項がノイマン級数で維持されている場合、dist(i,j)は、セルiとセルjとの間の距離を示していてもよい。一例において、dist(i,j)は、ボロノイ分割によってもたらされるドロネー図におけるiとjとの間の縁端距離を表していてもよい。∂c/∂pは、(ブロック)隣接行列を表していてもよく、以下が得られることになる。
は、以下のように計算されてもよい。
開示技術の一態様によると、複数の移動型ロボットは、対象範囲をともに被覆してもよい。各ロボットは、プロセッサを備えていてもよい。図10は、開示技術の例示としての実施形態に係る方法例のフローチャートである。ブロック202において、プロセッサは、センサから、隣接ロボットとの相対的な距離及び角度の測定値を表すデータを受け取ってもよい。ブロック204において、プロセッサは、センサによって検出された相対的な距離及び角度の測定値に基づいて、隣接ロボットに対する変位ベクトルを決定してもよい。ブロック206において、プロセッサは、対象範囲内の少なくとも1つの重要領域を示す密度関数を表すデータを受け取ってもよい。ブロック208において、プロセッサは、密度関数及び隣接ロボットに対する変位ベクトルに基づいて、速度ベクトルを計算してもよい。ブロック210において、プロセッサは、速度ベクトルに基づいて、対象範囲内の少なくとも1つの重要領域へとロボットを移動させる出力を行ってもよい。
本技術の別の態様によると、群ロボットは、一連の動作または一連のフォーメーションを行うように割り当てられてもよく、一連の動作は、個々のロボットの軌道に関して表されてもよい。群全体にタスクまたはミッションが割り当てられるが、各ロボットは、予め割り当てらた役割を有していなくてもよい。むしろ、群ロボット全体にタスクが割り当てられた後で、個々のロボットが自分の行動を調整することによって、上記一連の動作を実行または確立してもよい。
一実施形態において、群ロボットは、ミッション、例えば所望の一連の動作またはフォーメーションを完成させてもよい。各ロボットの軌道は、時間t=0に開始されて時間t=Tに終了されてもよい。各ロボットは、全体切替タイミングτ1,…,τKとして、次のように計K回モードを切替えてもよい。
及びθijk∈[0,2π)は、自身とロボットjとの間の変位ベクトルをそれぞれ拡大縮小し回転するのに用いる定数である。以下の行列
を、
位置χ(t)及び初期位置χ(0)=χ0を有するN個のロボットのシステムに対して、所望の軌道の分散バージョンは、χd(t)と表されてもよい。マルチロボットシステムに対する望ましい軌道が与えられた場合、本技術の態様は、(1)式を満たしながら、K+1のモード及びK回の全体切替タイミングτkのそれぞれに対してパラメータaijk及びbijkを最適化することによって、ダイナミクス(26)を有する群ロボットに対して以下のコスト関数を最小にし、分散制御則のみを用いて行動を模倣してもよい。
ロボットの切替式自律システムは、時間t=0に開始されて時間t=Tに終了されてもよく、K+1のモード及びK回の切替タイミングを有していてもよい。モードの各ダイナミクスは、関数fで与えられてもよいが、各モードkに対して異なるスカラーパラメータckでパラメータ化されてもよい。切替タイミングは、(18)を満たすτ1,…,τKであって、k番目のモードは、[τk-1,τk)の期間に生じてもよい。システムのダイナミクスは、以下のように表されてもよい。
モードkがckでパラメータ化されるダイナミクスfを有する切替式自律システムにおいて切替タイミングのコスト関数(30)に対する最適性条件は、以下のように表されてもよい。
開示技術の一態様に応じて、複数の移動型ロボットは、一連のフォーメーションをともに行ってもよい。各ロボットは、その動作の一部として軌道を模倣してもよい。各ロボットによる当該軌道の模倣は、複数の動作モード間で切替を行うことによって行われてもよい。各ロボットは、センサ及びプロセッサを備えていてもよい。図11は、開示技術の例示としての実施形態に係る方法例のフローチャートである。ブロック302において、プロセッサは、一連のフォーメーションを表すデータを受け取ってもよい。ブロック304において、プロセッサは、センサから、隣接ロボットとの相対的な距離及び角度の測定値を表すデータを受け取ってもよい。ブロック306において、プロセッサは、センサによって検出された相対的な距離及び角度の測定値に基づいて、隣接ロボットに対する変位ベクトルを決定してもよい。ブロック308において、プロセッサは、変位ベクトルに基づいて、ロボットの次のモードに対する拡大縮小係数を決定してもよい。ブロック310において、プロセッサは、変位ベクトルに基づいて、ロボットの次のモードに対する回転係数を決定してもよい。ブロック312において、プロセッサは、変位に基づいて、ロボットの次のモードに対する切替タイミングを決定してもよい。ブロック314において、プロセッサは、拡大縮小係数、回転係数、及び切替タイミングに基づいて、次のモードを実行する出力を行ってもよい。
図12(a)〜図12(l)は、複雑なドラムライン風マルチロボット軌道を辿る上記の最適の分散アルゴリズムのシミュレーションを示す。ドラムラインフォーメーションは、従来は振りつけ師によって設計されて集中的に実行されてきた。各瞬間に群メンバーによってとられる位置及び経路は、予め非常に詳細に決められている。その結果、群メンバーは、あらかじめ決められた経路を辿る練習に多くの時間を費やすことになる。しかしながら、そのような手法では、各群メンバーが、全体のダンスの流れを通じた経路を記憶し、自分が正しい位置にいるかどうかを把握するグローバルな知覚能力を有していることが必要となる。本明細書に記載の最適の分散では、分散制御則を用いて、非常に正確に本来のダンスの動きを模倣することができる。
図14は、開示技術の一態様に係るスクリプト言語の画像による例示を示す。図15は、開示技術の一態様に係るスクリプト言語の可視化されたインターフェースを示す。
本明細書に記載のマルチロボットシステムとその方法は、公知のシステム及び方法よりも性能が優れたものであり得る。一態様において、一般の経時的に変化する密度関数によって、マルチロボットによる最適の被覆がなされ、局所最小解への収束が実現し得る。本アルゴリズムは、良設定であり、分散型実施ができるため、公知のアルゴリズムよりも有利であり得る。
Claims (20)
- 対象範囲を被覆するマルチロボットシステムであって、
前記対象範囲をともに被覆する複数の移動型ロボットを含み、
各ロボットは、
前記対象範囲を表すデータを格納するメモリと、
隣接ロボットとの相対的な距離及び角度の測定値を検出するセンサと、
前記センサに接続されたプロセッサであって、
前記センサから、前記隣接ロボットとの前記相対的な距離及び角度の測定値を表すデータを受け取り、
前記センサによって検出された前記相対的な距離及び角度の測定値に基づいて、前記隣接ロボットに対する変位ベクトルを決定し、
前記対象範囲内の少なくとも1つの重要領域を示す密度関数を表すデータを受け取り、
前記密度関数及び前記隣接ロボットに対する前記変位ベクトルに基づいて、速度ベクトルを計算し、
前記速度ベクトルに基づいて、前記対象範囲内の前記少なくとも1つの重要領域へと当該ロボットを移動させる出力を行うように構成されたプロセッサと、を備えたシステム。 - 前記プロセッサは、経時的に変化する密度関数に基づいて、前記速度ベクトルを算出する、請求項1記載のシステム。
- 前記対象範囲は、ボロノイセル区画に基づいて分割され、各ロボットは、1つのボロノイセルを占める、請求項1記載のシステム。
- 前記プロセッサは、前記ロボットのボロノイセルにおける変化、及び前記隣接ロボットのボロノイセルにおける変化を算出する、請求項3記載のシステム。
- 前記プロセッサは、前記変化を補うように前記速度ベクトルを計算する、請求項4記載のシステム。
- 前記プロセッサは、コンピューティングデバイスから、前記密度関数を表す前記データを受け取る、請求項1記載のシステム。
- 前記コンピューティングデバイスは、タッチスクリーンを有し、当該スクリーンへの接触に応じて前記密度関数を出力し、当該スクリーンへの接触の位置及び量に基づいて前記密度関数を決定する、請求項6記載のシステム。
- 対象範囲を被覆する複数の移動型ロボットを有するマルチロボットシステムの制御方法であって、
各ロボットのプロセッサが、センサから、隣接ロボットとの相対的な距離及び角度の測定値を表すデータを受け取る工程と、
前記プロセッサが、前記センサによって検出された前記相対的な距離及び角度の測定値に基づいて、前記隣接ロボットに対する変位ベクトルを決定する工程と、
前記対象範囲内の少なくとも1つの重要領域を示す密度関数を表すデータを受け取る工程と、
前記密度関数及び前記隣接ロボットに対する前記変位ベクトルに基づいて、速度ベクトルを計算する工程と、
前記速度ベクトルに基づいて、前記対象範囲内の前記少なくとも1つの重要領域へと当該ロボットを移動させる出力を行う工程と、を備えた方法。 - 前記プロセッサは、経時的に変化する密度関数に基づいて、前記速度ベクトルを算出する、請求項8記載の方法。
- 前記プロセッサは、タッチスクリーンを有するコンピューティングデバイスから、当該スクリーンへの接触の位置及び量に基づいて決定された前記密度関数を表すデータを受け取る、請求項8記載の方法。
- 一連のフォーメーションを行うマルチロボットシステムであって、
前記一連のフォーメーションをともに行う複数の移動型ロボットを含み、
各ロボットは、その動作の一部として軌道を模倣し、当該軌道の模倣は複数の動作モード間で切替を行うことによって行われ、
各ロボットは、
隣接ロボットとの相対的な距離及び角度の測定値を検出するセンサと、
前記センサに接続されたプロセッサであって、
前記一連のフォーメーションを表すデータを受け取り、
前記センサから、前記隣接ロボットとの前記相対的な距離及び角度の測定値を表すデータを受け取り、
前記センサによって検出された前記相対的な距離及び角度の測定値に基づいて、前記隣接ロボットに対する変位ベクトルを決定し、
前記変位ベクトルに基づいて、当該ロボットの次のモードに対する拡大縮小係数を決定し、
前記変位ベクトルに基づいて、当該ロボットの次のモードに対する回転係数を決定し、
前記変位に基づいて、当該ロボットの次のモードに対する切替タイミングを決定し、
前記拡大縮小係数、前記回転係数、及び前記切替タイミングに基づいて、次のモードを実行する出力を行うように構成されたプロセッサと、を備えたシステム。 - 前記プロセッサは、最適性条件及び共状態方程式に基づいて、前記拡大縮小係数、前記回転係数、及び前記切替タイミングを最適化する、請求項11記載のシステム。
- 前記プロセッサは、最急降下アルゴリズムを実行することによって、前記拡大縮小係数、前記回転係数、及び前記切替タイミングを最適化する、請求項11記載のシステム。
- 前記拡大縮小係数は、2つの隣接ロボット間の相対的な距離の測定値と定数とを乗算することによって、前記変位ベクトルを拡大縮小する、請求項11記載のシステム。
- 前記回転係数は、相対的な角度の測定値に定数を加算することによって、前記変位ベクトルを回転させる、請求項11記載のシステム。
- 一連のフォーメーションを分散して行う複数のロボットを有するマルチロボットシステムの制御方法であって、
各ロボットは、その動作の一部として軌道を模倣し、当該軌道の模倣は複数の動作モード間で切替を行うことによって行われ、
各ロボットのプロセッサが、前記一連のフォーメーションを表すデータを受け取る工程と、
前記プロセッサが、センサから、当該ロボットとその隣接ロボットとの間の相対的な距離及び角度の測定値を表すデータを受け取る工程と、
前記プロセッサが、前記相対的な距離及び角度の測定値に基づいて、前記隣接ロボットに対する変位ベクトルを決定する工程と、
前記変位ベクトルに基づいて、当該ロボットの次のモードに対する拡大縮小係数を決定する工程と、
前記変位ベクトルに基づいて、当該ロボットの次のモードに対する回転係数を決定する工程と、
前記変位に基づいて、当該ロボットの次のモードに対する切替タイミングを決定する工程と、
前記拡大縮小係数、前記回転係数、及び前記切替タイミングに基づいて、次のモードを実行する出力を行う工程と、を備えた方法。 - 前記プロセッサは、最適性条件及び共状態方程式に基づいて、前記拡大縮小係数、前記回転係数、及び前記切替タイミングを最適化する、請求項16記載の方法。
- 前記プロセッサは、最急降下アルゴリズムを実行することによって、前記拡大縮小係数、前記回転係数、及び前記切替タイミングを最適化する、請求項16記載の方法。
- 前記拡大縮小係数は、2つの隣接ロボット間の相対的な距離の測定値と定数とを乗算することによって、前記変位ベクトルを拡大縮小する、請求項16記載の方法。
- 前記回転係数は、相対的な角度の測定値に定数を加算することによって、前記変位ベクトルを回転させる、請求項16記載の方法。
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