Formation Control

Auch genannt: formation keeping
Kategorie: Learning & autonomy › Multi-robot
Schlagwörter: multi-robot, distributed-control, coordination, swarms, uav

Koordination einer Robotergruppe, sodass sie eine vorgegebene geometrische Anordnung wie feste Abstände, Versätze oder Abstände entlang eines Pfads erreicht und hält, meist mit lokaler Sensorik und Kommunikation.

Definition

Formationsregelung (formation control) ist das Problem, mehrere Roboter so zu steuern, dass ihre Relativpositionen eine gewünschte Form annehmen und halten, etwa eine Linie, einen Keil, einen Ring oder gleiche Abstände entlang einer Kurve, während sich die Gruppe bewegt oder ihre Position hält. Jeder Roboter kennt meist nur seinen eigenen Zustand und das, was er von nahen Nachbarn erfassen oder empfangen kann, daher muss der Regler aus lokaler Information eine globale Form erreichen. Sie ist ein zentrales Thema der Multi-Roboter-Systeme, mit Anwendungen von Drohnen- und Raumfahrzeuggruppen bis zu Lkw-Kolonnen.

Klassische Architekturen sind Leader-Follower-Schemata, bei denen Folger Versätze zu einem Anführer verfolgen; Virtual-Structure-Schemata, bei denen die Formation als starrer Körper behandelt wird, dessen Punkte die Roboter einnehmen; und verhaltensbasierte Schemata, die Ziele wie Formationshalten, Hindernisvermeidung und Zielerreichung überblenden. Eine viel zitierte Übersicht von Oh, Park und Ahn (2015) ordnet die Methoden danach, was sie erfassen und regeln: positionsbasiert (absolute Positionen in einem gemeinsamen Koordinatensystem), verschiebungsbasiert (relative Positionsvektoren in ausgerichteten Koordinatensystemen, oft auf Konsensalgorithmen aufgebaut) und abstandsbasiert (nur Abstände zwischen Robotern, was erfordert, dass der Formationsgraph starr ist, damit die Abstände die Form festlegen). Der Kommunikationsgraph spielt bei allen eine Rolle: Die Konnektivität entscheidet, ob die Gruppe überhaupt Einigkeit erzielen kann, und Verzögerungen und Verbindungsabbrüche beeinflussen die Stabilität.

Formationsregelung ist eng mit koordinierter Pfadverfolgung verwandt, bei der jeder Roboter seinem eigenen Pfad folgt und die Gruppe ihren Fortschritt entlang dieser Pfade koordiniert, etwa indem sie festgelegte Bogenabstände zwischen Flugzeugen einhält, die denselben Orbit umkreisen. Sie unterscheidet sich von der Schwarmrobotik, die meist auf einfachen lokalen Regeln und emergentem Gruppenverhalten ohne vorgegebene Form beruht, und von Multi-Agent Path Finding, das kollisionsfreie Routen auf Graphen plant, statt kontinuierliche relative Geometrie zu regeln. Reale Einsätze fügen Kollisionsvermeidung, Stellgrenzen wie die nahezu konstante Geschwindigkeit von Starrflügelflugzeugen und die Schätzung der Positionen der Nachbarn hinzu, die im Freien oft der schwierigste Teil ist.

Warum es wichtig ist

Viele Multi-Roboter-Aufgaben erfordern, dass die Roboter eine Geometrie einhalten: Sensorarrays brauchen eine Basislinie, Kolonnen brauchen sichere Abstände, und kooperativer Transport braucht feste Greifpunkte. Formationsregelung liefert die Methoden und Stabilitätsgarantien, um das mit begrenzter Kommunikation zu leisten.

Wichtige Anwendungen

Koordinierter Flug von Multikopter- und Starrflügel-UAV-Gruppen
Platooning von Fahrzeugen auf Autobahnen
Kooperativer Transport mit mehreren Robotern
Verteilte Sensorik und Überwachung rund um ein Ziel
Formationsflug von Raumfahrzeugen
Kolonnen und Vermessungsmuster von Wasserfahrzeugen

In der Praxis

Mehrere Starrflügel-UAVs müssen einen Punkt von Interesse in gleichen Abständen umkreisen. Jedes Flugzeug folgt einem Führungsvektorfeld, das gegen den Kreis konvergiert, und ein Koordinationsterm passt seinen Fortschritt entlang des Pfads anhand der Bogenabstände zu seinen Nachbarn an, die es über eine lokale Funkverbindung empfängt. Da die Flugzeuge weder schweben noch anhalten können, müssen Abstände korrigiert werden, indem man ändert, wie sich jedes entlang des Pfads oder um ihn herum bewegt, statt zu warten. Vor den Flugtests simuliert das Team Verbindungsabbrüche: Mit einem zusammenhängenden Kommunikationsgraphen erholen sich die Abstände, während bei einem zerfallenden Graphen die getrennten Teilgruppen auseinanderdriften.

Häufige Missverständnisse

Formationsregelung braucht einen zentralen Rechner, der alle Positionen kennt — viele Methoden sind verteilt und nutzen nur Informationen von Nachbarn
Das Einhalten paarweiser Abstände legt die Form der Formation fest — nur wenn der Abstandsgraph starr ist; andernfalls kann sich die Form verformen, während jeder vorgegebene Abstand eingehalten wird
Formationsregelung und Schwarmrobotik sind dasselbe — Schwarmmethoden erzeugen meist emergentes Gruppenverhalten aus lokalen Regeln, während Formationsregelung eine vorgegebene Geometrie regelt

Wer das wissen sollte

Ingenieure für Multi-Roboter-Systeme
Entwickler von UAV- und Drohnenflotten
Regelungstechniker, die an vernetzten Systemen arbeiten
Ingenieure für Platooning autonomer Fahrzeuge

Open Source Robotics