Bio-Inspired Compact Swarms of Unmanned Aerial Vehicles without Communication and External Localization

要約

本稿では、実世界において、同種の航空機の分散型かつインフラに依存しない群れを、明示的な通信なしに展開するための独自のフレームワークを紹介する。これは、グローバルな知識やコミュニケーションはロボットの数に比例してうまくスケールしないと予想されるスウォーム研究において必要な要件である。本稿で提案するシステムアーキテクチャは、スウォームメンバーの直接的な相互定位のために、局所近傍を直接知覚するUVDAR技法を採用している。この手法により、魚群、鳥群、牛群などで観察されるような、群システムの分散化と高いスケーラビリティを実現することができる。開発したバイオインスパイアードスウォーミングモデルは、屋外や障害物のある屋内環境での大規模な粒子群の実世界展開に適している。このモデルの集団行動は、搭載されたセンサーのみを使った近隣の直接観察に基づくローカルルールのセットから生まれます。このモデルはスケーラブルで、エージェントと環境の局所的な認識のみを必要とし、エージェント間の通信は不要である。シミュレーションとは別に、屋外に配置されたUAVの完全分散型スワームを用いたいくつかの実世界実験で、フレームワーク全体の性能と使い勝手を分析した。我々の知る限り、これらの実験は、通信ネットワークや絶対的な位置情報を共有することなく、UAVの分散型生物学的なコンパクトスウォームを展開した最初のものである。システム全体は、オープンソースとして https://github.com/ctu-mrs で公開されています。

要約(オリジナル)

This article presents a unique framework for deploying decentralized and infrastructure-independent swarms of homogeneous aerial vehicles in the real world without explicit communication. This is a requirement in swarm research, which anticipates that global knowledge and communication will not scale well with the number of robots. The system architecture proposed in this article employs the UVDAR technique to directly perceive the local neighborhood for direct mutual localization of swarm members. The technique allows for decentralization and high scalability of swarm systems, such as can be observed in fish schools, bird flocks, or cattle herds. The bio-inspired swarming model that has been developed is suited for real-world deployment of large particle groups in outdoor and indoor environments with obstacles. The collective behavior of the model emerges from a set of local rules based on direct observation of the neighborhood using onboard sensors only. The model is scalable, requires only local perception of agents and the environment, and requires no communication among the agents. Apart from simulated scenarios, the performance and usability of the entire framework is analyzed in several real-world experiments with a fully-decentralized swarm of UAVs deployed in outdoor conditions. To the best of our knowledge, these experiments are the first deployment of decentralized bio-inspired compact swarms of UAVs without the use of a communication network or shared absolute localization. The entire system is available as open-source at https://github.com/ctu-mrs.

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