Coordination of mobile robots in passing through an obstacle course

Abstract

В работе рассматривается группа мобильных роботов, которые движутся с ограниченной сверху скоростью в коридоре с препятствиями. Роботы должны плотно заметать коридор с заданной скоростью, автономно выстраиваясь на движущемся перпендикулярном сечении коридора и равномерно распределяясь по его ширине, избегая при этом столкновений друг с другом, препятствиями и стенами коридора. В частях коридора, содержащих препятствия, равномерное распределение роботов по всей ширине коридора может оказаться невозможным, однако желаемая формация должна автоматически восстанавливаться после прохождения части с препятствиями. В своей локальной системе отсчета каждый робот имеет доступ к направлению коридора и может определять относительное положение объектов в пределах конечного диапазона видимости. Роботы не знают размера команды и ширины коридора, не могут различать соседей и выполнять разные роли в команде. Представлен вычислительно эффективный и распределённый алгоритм управления, решающий поставленную задачу. Этот алгоритм индивидуально и независимо выполняется каждым роботом и является общим для всех. Эффективность предложенного закона управления подтверждена математически строгим результатом глобальной сходимости и тестами компьютерного моделирования.

In this work, a team of mobile robots that move with an upper-bounded speed in a corridor environment, which contains obstacles, is considered. The robots should densely sweep the corridor with a given speed, with autonomously lining up on a moving cross-section of the corridor and evenly distributing themselves over this section, while avoiding collisions with one another, the obstacles, and the corridor walls. In the parts of the corridor containing obstacles, even distribution of the robots across the entire width of the corridor may be infeasible and so the requirement to achieve or maintain it is relaxed. However, the desired distribution should be automatically restored after such a part is left behind. In its local frame, every robot has access to corridor direction and to the relative coordinates of the objects within a finite range of visibility The robots are unaware of the team's size and the corridor width, are unable to distinguish between the peers and play different roles in the team. A computationally inexpensive and distributed control algorithm is presented that solves the mission. This algorithm is individually run at any robot and is reactive, i.e., it directly converts the current sensory data into the current control in a reflex-like fashion. The performance of the proposed navigation law is justified by a mathematically rigorous global convergence result and is confirmed by computer simulation tests.