A Flexible and Resilient Formation Approach based on Hierarchical Reorganization

要約

従来のフォーメーション方法は通常、所定のリーダーや事前定義されたフォーメーション形状などの固定階層構造に依存しています。
これらの厳格な階層により、複雑な環境ではフォーメーションが扱いにくく柔軟性がなくなる可能性があり、いずれかのリーダーが接続を失った場合に潜在的な障害につながる可能性があります。
これらの制限に対処するために、この文書では、階層の再編成を通じて柔軟性と回復力の両方を強化する再構成可能なアフィン形成を紹介します。
この論文ではまず、階層再編成の重要な役割を説明し、このプロセスが役割の再割り当てとトポロジー構造の動的な変化を伴うものとして概念化しています。
階層再構成に必要な条件をさらに調査するために、グラフ理論に基づいて再構成可能な階層構成が開発され、その実現可能性が厳密に実証されました。
役割の移行と併せて、フォーメーションのコンセンサス収束に基づいた電力中心のトポロジ切り替えメカニズムが提案され、フォーメーション内の調整された回復力が確保されます。
最後に、シミュレーションと実験により、提案された方法のパフォーマンスを検証します。
空中フォーメーションは、3 次元空間と 2 次元空間の両方で複数の階層的再編成を実行することに成功しました。
たとえ一人のリーダーが故障した場合でも、編隊は階層再編によって安定した飛行を維持した。
この迅速な適応性により、ロボット編隊は急旋回や森林内を最大 1.9 m/s の速度で移動するなどの複雑なタスクを実行できます。

要約(オリジナル)

Conventional formation methods typically rely on fixed hierarchical structures, such as predetermined leaders or predefined formation shapes. These rigid hierarchies can render formations cumbersome and inflexible in complex environments, leading to potential failure if any leader loses connectivity. To address these limitations, this paper introduces a reconfigurable affine formation that enhances both flexibility and resilience through hierarchical reorganization. The paper first elucidates the critical role of hierarchical reorganization, conceptualizing this process as involving role reallocation and dynamic changes in topological structures. To further investigate the conditions necessary for hierarchical reorganization, a reconfigurable hierarchical formation is developed based on graph theory, with its feasibility rigorously demonstrated. In conjunction with role transitions, a power-centric topology switching mechanism grounded in formation consensus convergence is proposed, ensuring coordinated resilience within the formation. Finally, simulations and experiments validate the performance of the proposed method. The aerial formations successfully performed multiple hierarchical reorganizations in both three-dimensional and two-dimensional spaces. Even in the event of a single leader’s failure, the formation maintained stable flight through hierarchical reorganization. This rapid adaptability enables the robotic formations to execute complex tasks, including sharp turns and navigating through forests at speeds up to 1.9 m/s.

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