Formation Control
- 다른 이름: formation keeping
- 카테고리: Learning & autonomy › Multi-robot
- 태그: multi-robot, distributed-control, coordination, swarms, uav
로봇 무리가 고정된 거리, 오프셋, 경로를 따른 간격 같은 지정된 기하학적 배치에 도달하고 이를 유지하도록, 보통 국소 감지와 통신으로 조율하는 것.
정의
대형 제어(formation control)는 무리가 이동하거나 제자리를 유지하는 동안, 여러 로봇의 상대 위치가 직선, 쐐기, 고리, 곡선을 따른 등간격 같은 원하는 모양을 이루고 유지하도록 로봇들을 조종하는 문제이다. 각 로봇은 보통 자기 자신의 상태와, 가까운 이웃으로부터 감지하거나 받을 수 있는 것만 알기 때문에, 제어기는 국소 정보로부터 전역적인 모양을 이루어 내야 한다. 이는 다중 로봇 시스템의 중심 주제이며, 드론과 우주선 무리부터 트럭 군집 주행까지 응용 범위가 넓다.
고전적인 구조로는, 추종자가 리더로부터의 오프셋을 추종하는 리더-추종자 방식, 대형을 로봇들이 그 점들을 차지하는 하나의 강체로 취급하는 가상 구조 방식, 그리고 대형 유지, 장애물 회피, 목표 도달 같은 목표들을 섞는 행동 기반 방식이 있다. Oh, Park, Ahn(2015)의 널리 인용되는 서베이는 방법들을 무엇을 감지하고 제어하는지에 따라 분류한다. 위치 기반(공통 좌표계에서의 절대 위치), 변위 기반(정렬된 좌표계에서의 상대 위치 벡터로, 흔히 합의 알고리즘 위에 구축됨), 그리고 거리 기반(로봇 사이의 거리만 사용하며, 거리가 모양을 고정하도록 대형 그래프가 강성이어야 함)이다. 통신 그래프는 이 모든 방식에서 중요하다. 연결성은 무리가 애초에 합의에 이를 수 있는지를 결정하고, 지연과 끊김은 안정성에 영향을 준다.
대형 제어는 협조 경로 추종과 밀접하게 관련되어 있다. 협조 경로 추종에서는 각 로봇이 자기 경로를 따르고 무리는 그 경로를 따라가는 진행을 조율하는데, 예를 들어 같은 궤도를 선회하는 항공기 사이에 정해진 호 거리를 유지하는 식이다. 대형 제어는 정해진 모양 없이 단순한 국소 규칙과 창발적인 무리 행동에 주로 의존하는 군집 로봇공학(swarm robotics)과도 다르고, 연속적인 상대 기하를 조절하는 대신 그래프 위에서 충돌 없는 경로를 계획하는 다중 에이전트 경로 탐색(multi-agent path finding)과도 다르다. 실제 배치에서는 충돌 회피, 고정익 항공기의 거의 일정한 속도 같은 구동 한계, 그리고 이웃의 위치 추정이 더해지며, 야외에서는 이웃의 위치 추정이 가장 어려운 부분인 경우가 많다.
중요한 이유
많은 다중 로봇 작업에서 로봇들은 기하 구조를 유지해야 한다. 센서 어레이에는 기준선이 필요하고, 차량 행렬에는 안전한 간격이 필요하며, 협동 운반에는 고정된 파지 지점이 필요하다. 대형 제어는 제한된 통신으로 이를 해내기 위한 방법과 안정성 보장을 제공한다.
주요 응용
- 멀티로터 및 고정익 UAV 무리의 협조 비행
- 고속도로에서의 차량 군집 주행
- 다중 로봇 협동 운반
- 목표 주변의 분산 센싱과 감시
- 우주선 편대 비행
- 해양 이동체 행렬과 측량 패턴
실제 사례
고정익 UAV 여러 대가 관심 지점 주위를 같은 간격으로 선회해야 한다. 각 항공기는 원으로 수렴하는 유도 벡터장을 따르며, 협조 항은 국소 무선 링크로 받은 이웃과의 호 거리에 따라 경로를 따른 진행을 조정한다. 항공기는 호버링하거나 멈출 수 없으므로, 간격은 기다리는 방식이 아니라 각 항공기가 경로를 따라 또는 경로 주위로 움직이는 방식을 바꿔서 보정해야 한다. 비행 시험 전에 팀은 링크 끊김을 시뮬레이션한다. 통신 그래프가 연결되어 있으면 간격이 회복되지만, 그래프가 갈라지면 분리된 하위 무리들이 서로 멀어진다.
흔한 오해
- 대형 제어에는 모든 위치를 아는 중앙 컴퓨터가 필요하다 — 많은 방법은 분산형이며 이웃에서 온 정보만 사용한다
- 쌍별 거리를 유지하면 대형의 모양이 고정된다 — 거리 그래프가 강성일 때만 그렇다. 그렇지 않으면 지정된 모든 거리가 유지되면서도 모양이 변형될 수 있다
- 대형 제어와 군집 로봇공학은 같다 — 군집 방법은 보통 국소 규칙으로부터 창발적인 무리 행동을 만들어 내고, 대형 제어는 지정된 기하 구조를 조절한다
알아야 할 사람
- 다중 로봇 시스템 엔지니어
- UAV 및 드론 군 개발자
- 네트워크 시스템을 다루는 제어 엔지니어
- 자율 주행 차량 군집 주행 엔지니어
관련 기술
- 합의 알고리즘(Consensus Algorithms)
- 그래프 강성 이론(Graph Rigidity Theory)
- 리더-추종자 제어(Leader-Follower Control)
- 가상 구조 방법(Virtual Structure Method)
- 유도 벡터장(Guiding Vector Fields)
- 협조 적응 순항 제어(Cooperative Adaptive Cruise Control)
관련 용어
관련 프로젝트
- 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