Formation Control

• 別名: formation keeping
• カテゴリ: Learning & autonomy › Multi-robot
• タグ: multi-robot, distributed-control, coordination, swarms, uav

一群のロボットを協調させ、固定距離、オフセット、経路に沿った間隔など指定された幾何学的配置に到達してそれを維持させること。通常は局所的なセンシングと通信を用いる。

定義

編隊制御（Formation control）は、群全体が移動している間、あるいは定位置を保っている間に、複数のロボットの相対位置が直線、くさび形、リング、曲線に沿った等間隔などの望ましい形をとり、それを保つように操る問題である。各ロボットは通常、自身の状態と、近くの隣接ロボットから感知または受信できる情報しか知らないため、コントローラは局所的な情報から全体の形を実現しなければならない。マルチロボットシステムの中心的なテーマであり、応用はドローンや宇宙機の編隊からトラックの隊列走行にまで及ぶ。

古典的なアーキテクチャには、フォロワーがリーダーからのオフセットに追従するリーダー・フォロワー方式、編隊を剛体とみなしてロボットがその上の点を占める仮想構造方式、そして編隊の維持、障害物回避、目標への到達といった目的を混ぜ合わせる行動ベース方式がある。Oh、Park、Ahn（2015）による広く引用されたサーベイは、手法を何を感知し何を制御するかで分類している。位置ベース（共通座標系での絶対位置）、変位ベース（向きをそろえた座標系での相対位置ベクトルで、多くはコンセンサスアルゴリズムに基づく）、距離ベース（ロボット間の距離のみで、距離によって形が決まるように編隊グラフが剛である必要がある）である。いずれにおいても通信グラフが重要であり、連結性は群がそもそも合意に至れるかどうかを決め、遅延や通信の途絶は安定性に影響する。

編隊制御は協調経路追従と密接に関係している。協調経路追従では、各ロボットが自分の経路をたどり、群がそれぞれの経路上の進み具合を協調させる。たとえば、同じ周回軌道を旋回する航空機の間で設定した弧長距離を保つといった具合である。編隊制御は、通常は形を規定せず単純な局所規則と創発的な群行動に頼る群ロボット工学とも、連続的な相対幾何を調整するのではなくグラフ上で衝突のない経路を計画するマルチエージェント経路探索とも異なる。実際の運用では、衝突回避、固定翼機のほぼ一定の速度のような駆動上の制約、そして隣接機の位置の推定が加わり、屋外ではこの推定が最も難しい部分になることが多い。

重要な理由

多くのマルチロボットタスクでは、ロボットがある幾何関係を保つ必要がある。センサーアレイには基線長が、車列には安全な車間が、協調搬送には固定した把持点が必要である。編隊制御は、限られた通信のもとでそれを実現するための手法と安定性の保証を提供する。

主な用途

• マルチロータや固定翼の UAV 群による協調飛行
• 高速道路での車両の隊列走行
• マルチロボットによる協調搬送
• 目標周辺での分散センシングと監視
• 宇宙機の編隊飛行
• 海洋ビークルの船団と測量パターン

実際の使われ方

複数の固定翼 UAV が、関心のある地点を等間隔で旋回しなければならない。各機はその円に収束する誘導ベクトル場に従って飛行し、協調項が、ローカルな無線リンクで受信した隣接機との弧長距離に基づいて経路上の進み具合を調整する。航空機はホバリングも停止もできないため、間隔は待つことではなく、各機が経路に沿って、あるいは経路の周りをどう動くかを変えることで修正しなければならない。飛行試験の前に、チームはリンクの途絶をシミュレーションする。通信グラフが連結していれば間隔は回復するが、グラフが分断されると、分かれたサブグループどうしが離れていく。

よくある誤解

• 編隊制御にはすべての位置を把握する中央コンピュータが必要である — 多くの手法は分散型で、隣接ロボットからの情報だけを使う
• ペアごとの距離を保てば編隊の形は固定される — 距離グラフが剛である場合に限られる。そうでなければ、指定したすべての距離が保たれたまま形が変形しうる
• 編隊制御と群ロボット工学は同じである — 群の手法は通常、局所規則から創発的な群行動を生み出すのに対し、編隊制御は指定された幾何形状を調整する

知っておくべき人

• マルチロボットシステムのエンジニア
• UAV とドローンフリートの開発者
• ネットワーク化システムに取り組む制御エンジニア
• 自動運転車の隊列走行のエンジニア

関連技術

• コンセンサスアルゴリズム（Consensus Algorithms）
• グラフ剛性理論（Graph Rigidity Theory）
• リーダー・フォロワー制御（Leader-Follower Control）
• 仮想構造法（Virtual Structure Method）
• 誘導ベクトル場（Guiding Vector Fields）
• 協調型アダプティブクルーズコントロール（Cooperative Adaptive Cruise Control）

関連用語

• Swarm Robotics
• Multi-Agent Path Finding
• Dubins Car
• UAV
• Unicycle Model

関連プロジェクト

• ArduPilot: World's most trusted open-source autopilot for drones, planes, rovers, and submarines
• PX4 Autopilot: Open-source flight control software for drones and other unmanned vehicles
• Open X-Embodiment (OXE): Largest open robotics dataset: 1M+ episodes from 22 embodiments
• Paparazzi UAV: Complete university-developed open-source UAV system for research and fixed-wing drones
• MAVROS: ROS gateway for MAVLink-compatible autopilots (PX4, ArduPilot)
• IR-SIM: Lightweight pure-Python 2D robot simulator for navigation, control and RL research