Запечатлевая движение,
Создавая истории

После успешной публикации в Nature Communications, исследовательская группа Университета Бэйхань опубликовала статью под названием “Mean-Shift Shape Formation of Multi-Robot Systems Without Target Assignment” в RA-L, ведущем журнале по робототехнике.

В статье представлен распределенный алгоритм без назначения, основанный на методе смещения среднего, который позволяет десяти мобильным роботам последовательно формировать буквы «R», «A» и «L» в реальных экспериментах. Эффективность алгоритма в реальных сценариях была подтверждена с помощью системы захвата движения NOKOV. Кроме того, эффективность, точность и результативность алгоритма в формировании сложных построений при различных размерах групп были проверены с помощью симуляционных экспериментов.

Рис. 1. Эксперимент в реальном мире, демонстрирующий последовательное формирование букв "R", "A" и "L" из случайных начальных позиций.

Цитата:

Y. Zhang, R. Zhou, X. Li и G. Sun, "Формация форм с использованием метода Mean-Shift в многороботных системах без назначения целей," в IEEE Robotics and Automation Letters, том 9, номер 2, стр. 1772-1779, февраль 2024, doi: 10.1109/LRA.2024.3349926.

Фон исследования

Управление формацией в многопользовательских системах обычно делится на две более мелкие задачи: назначение целей и избегание столкновений. Стратегии назначения целей классифицируются на методы предварительного назначения и динамического назначения. Первые могут снижать гибкость избегания столкновений и увеличивать сложность планирования пути; вторые могут сталкиваться с высокими вычислительными затратами и потенциальными конфликтными ситуациями. Методы без назначения устраняют процесс назначения целей, но с трудом формируют формации с точными целевыми позициями. Поэтому достижение точного управления формацией без назначения стало объектом исследования.

В этой работе предлагается распределённый алгоритм без назначений, основанный на алгоритме средних смещений, для достижения точного и эффективного управления формированием, а также подтверждается точность, эффективность и практическое применение алгоритма с помощью симуляций и экспериментов в реальном мире.

Экспериментальные результаты

1) Симуляционные эксперименты:

А. Эффективность предложенного алгоритма для сложных formations целей и различных размеров групп

Алгоритм управления формированием, предложенный в этой статье, эффективно направляет 200 роботов для формирования сложных желаемых конфигураций менее чем за 30 секунд. Когда размер группы увеличивается с 50 до 350, время сходимости для формирования "ДНК" увеличивается с 10 секунд до 60 секунд. Увеличение размера группы не оказывает значительного влияния на время сходимости. Эти результаты симуляции демонстрируют эффективность алгоритма в создании сложных формирований.

B. Сравнение предложенного алгоритма с алгоритмами назначения целей и алгоритмами на основе смещения по среднему значению

Алгоритм на основе смещения среднего не может обеспечить точный контроль формирования цели. С другой стороны, время сходимости алгоритмов назначения целей более чем в восемь раз превышает время, необходимое для предложенного алгоритма. Этот экспериментальный симуляционный тест подтверждает преимущества предложенного алгоритма в отношении точности контроля формирования и эффективности.

2) Эксперименты по верификации в реальном мире:

Рис. 2 Конфигурация системы экспериментального исследования и результаты

Экспериментальная платформа оснащена оптической 3D системой захвата движения NOKOV для получения информации о позиции и угле поворота роботов в реальном времени. Для получения данных о состоянии роботов и извлечения статусной информации в реальном времени используется ПК. Эксперименты проводятся на ПК (MATLAB/Simulink) с распределённым параллельным механизмом для вычисления управляющих команд на основе предложенного алгоритма. Вычисленные управляющие команды затем передаются роботам с частотой 10 Гц через беспроводной маршрутизатор.

Десять роботов перемещаются по экспериментальной платформе размером 4 x 5 метров, начиная с начальной позиции и последовательно образуя буквы "R", "A" и "L". Как показано на рисунке 2(d), время сходимости каждой буквы составляет менее 40 секунд, что подтверждает применимость предложенного алгоритма в реальных условиях.