A Tutorial on Distributed Optimization for Cooperative Robotics: from Setups and Algorithms to Toolboxes and Research Directions

要約

マルチロボット システムにおけるいくつかの興味深い問題は、分散最適化のフレームワークに当てはまります。
例には、マルチロボットのタスク割り当て、車両のルート設定、ターゲットの保護と監視が含まれます。
分散最適化アルゴリズムの理論的分析は大きな注目を集めていますが、協調ロボット工学への応用は詳細に調査されていません。
この論文では、適切な分散最適化セットアップによって協調ロボット工学における注目すべきシナリオにどのように対処できるかを示します。
具体的には、広く調査されているコンセンサス最適化 (データ分析に最適) とパーティションベースのセットアップ (最適化におけるグラフ構造の一致) について簡単に紹介した後、協調ロボティクスにおけるいくつかのシナリオをモデル化する 2 つの分散設定に焦点を当てます。
、いわゆる制約結合型および集合的最適化フレームワークです。
それぞれについて、ユースケースのアプリケーションを検討し、その収束特性を備えたカスタマイズされた分散アルゴリズムについて説明します。
次に、中央コーディネーターなしでロボットの実際のネットワーク上に分散スキームを実装できるようにする最先端のツールボックスを改訂します。
ユースケースごとに、これらのツールボックスでの実装について説明し、異種ロボットのネットワーク上でのシミュレーションと実際の実験を提供します。

要約(オリジナル)

Several interesting problems in multi-robot systems can be cast in the framework of distributed optimization. Examples include multi-robot task allocation, vehicle routing, target protection and surveillance. While the theoretical analysis of distributed optimization algorithms has received significant attention, its application to cooperative robotics has not been investigated in detail. In this paper, we show how notable scenarios in cooperative robotics can be addressed by suitable distributed optimization setups. Specifically, after a brief introduction on the widely investigated consensus optimization (most suited for data analytics) and on the partition-based setup (matching the graph structure in the optimization), we focus on two distributed settings modeling several scenarios in cooperative robotics, i.e., the so-called constraint-coupled and aggregative optimization frameworks. For each one, we consider use-case applications, and we discuss tailored distributed algorithms with their convergence properties. Then, we revise state-of-the-art toolboxes allowing for the implementation of distributed schemes on real networks of robots without central coordinators. For each use case, we discuss their implementation in these toolboxes and provide simulations and real experiments on networks of heterogeneous robots.

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