Specification Decomposition and Formal Behavior Generation in Multi-Robot Systems
While autonomous robot systems are becoming increasingly common, their usage is still mostly limited to rather simple tasks. This primarily results from the need for manually programming the execution plans of the robots. Instead, as shown in this thesis, their behavior can be automatically generate...
| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Others |
| Language: | English |
| Published: |
KTH, Reglerteknik
2017
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-214985 http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7729-540-2 |
| Summary: | While autonomous robot systems are becoming increasingly common, their usage is still mostly limited to rather simple tasks. This primarily results from the need for manually programming the execution plans of the robots. Instead, as shown in this thesis, their behavior can be automatically generated from a given goal specification. This forms the basis for providing formal guarantees regarding optimality and satisfaction of the mission goal specification and creates the opportunity to deploy these robots in increasingly sophisticated scenarios. Well-defined robot capabilities of comparably low complexity can be developed independently from a specific high-level goal and then, using a behavior planner, be automatically composed to achieve complex goals in a verifiably correct way. Considering multiple robots introduces significant additional planning complexity. Not only actions need to be planned, but also allocation of parts of the mission to the individual robots needs to be considered. Classically, either are planning and allocation seen as two independent problems which requires to solve an exponential number of planning problems, or the formulation of a joint team model leads to a product state space between the robots. The resulting exponential complexity prevents most existing approaches from being practically useful in more complex and realistic scenarios. In this thesis, an approach is presented to utilize the interplay of allocation and planning, which avoids the exponential complexity for independently executable parts of the mission specification. Furthermore, an approach is presented to identify these independent parts automatically when only being given a single goal specification for the team. This bears the potential of improving the efficiency to find an optimal solution and is a significant step towards the application of formal multi-robot behavior planning to real-world problems. The effectiveness of the proposed methods is therefore illustrated in experiments based on an existing office environment and in realistic scenarios. === Även om autonoma robotsystem blir allt vanligare är deras användning fortfarande mestadels begränsad till ganska enkla uppgifter. Detta beror främst på att manuell programmering av robotarnas exekveringsplaner behövs. Istället, som det visas i denna avhandling, kan deras beteende genereras automatiskt från en given målspecifikation. Detta utgör fundamentet för att ge en formell garanti att det resulterande beteendet är optimalt och uppdragsmålspecifikationen är uppfylld. Därför skapar det möjlighet att använda dessa robotar i alltmer sofistikerade scenarier. Väldefinierade robotkompetenser med relativt låg komplexitet kan utvecklas oberoende av ett specifikt mål på hög nivå och sedan sammansättas automatiskt med hjälp av en beteendeplanerare för att uppnå komplexa mål på ett verifierbar korrekt sätt. Om det handlar om flera robotar så introduceras ytterligare planeringskomplexitet som är betydande. Inte bara åtgärder behöver planeras, men även fördelning av uppdragets olika delar till de enskilda robotarna måste hanteras. Traditionellt anses planering och allokering som två oberoende problem som kräver att man löser ett exponentiellt antal planeringsproblem, eller så leder formuleringen av en gemensam modell för hela gruppen till ett produkttillståndsutrymme mellan robotarna. Den resulterande exponentiella komplexiteten förhindrar att de flesta befintliga metoderna är praktiskt användbara i mer komplexa och realistiska scenarier. I denna avhandling presenteras ett tillvägagångssätt för att utnyttja samspelet mellan allokering och planering, som undviker exponentiell komplexitet för oberoende exekverbara delar av uppdragsspecifikationen. Dessutom presenteras ett tillvägagångssätt för att automatiskt identifiera dessa oberoende delar när endast en enda målspecifikation ges för arbetslaget. Detta har potential att förbättra effektiviteten för att hitta en optimal lösning och är ett viktigt steg mot tillämpningen av formell multi-robot-beteendeplanering för realistiska problem. Effektiviteten av de föreslagna metoderna illustreras därför i experiment baserade på en befintlig kontorsmiljö och i realistiska scenarier. === <p>QC 20170928</p> |
|---|