A Swift and Omnidirectional Formation Approach based on Hierarchical Reorganization

要約

現在のフォーメーションは通常、事前に決定されたリーダーや列挙されたフォーメーション形状などの不変の階層構造に依存しています。
これらの構造は一方向性があり動作が遅く、乱雑な環境に遭遇した場合の適応性と機敏性が制限される可能性があります。
これらの制約を克服するために、この研究では階層的再編成による全方向性アフィン形成アプローチを提案しています。
まず、全方向アフィン基準の開発に情報を与える、フォーメーション内の階層的再編成を促進するために必要な臨界条件を概説します。
私たちのアプローチの中心となるのは、流動的なリーダーシップと権限の再配分であり、そのために最小限の時間に基づくリーダーシップ評価アルゴリズムと権力移行制御アルゴリズムを開発しています。
これらのアルゴリズムは自律的なリーダーの選択を促進し、スムーズな権力移行を保証し、群れが外部環境に合わせて階層的に適応できるようにします。
さらに、チーム内接続の動的な再編成に合わせて調整された電力中心のトポロジー切り替えメカニズムを導入します。
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実証します。
このフォーメーションはいくつかの階層再編成を正常に実行し、最長の再編成にかかる時間はわずか 0.047 秒です。
この素早い適応性により、5 台の空中ロボットは、最大 1.9m/s の速度で方向転換動作の実行やフープを通過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)

Current formations commonly rely on invariant hierarchical structures, such as predetermined leaders or enumerated formation shapes. These structures could be unidirectional and sluggish, constraining their adaptability and agility when encountering cluttered environments. To surmount these constraints, this work proposes an omnidirectional affine formation approach with hierarchical reorganizations. We first delineate the critical conditions requisite for facilitating hierarchical reorganizations within formations, which informs the development of the omnidirectional affine criterion. Central to our approach is the fluid leadership and authority redistribution, for which we develop a minimum time-driven leadership evaluation algorithm and a power transition control algorithm. These algorithms facilitate autonomous leader selection and ensure smooth power transitions, enabling the swarm to adapt hierarchically in alignment with the external environment. Furthermore, we deploy a power-centric topology switching mechanism tailored for the dynamic reorganization of in-team connections. Finally, simulations and experiments demonstrate the performance of the proposed method. The formation successfully performs several hierarchical reorganizations, with the longest reorganization taking only 0.047s. This swift adaptability allows five aerial robots to carry out complex tasks, including executing swerving movements and navigating through hoops at velocities up to 1.9m/s.

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