Practical Realization of Multi-Agent Systems in Distributed Environments

Abstract

This dissertation investigates the practical realization of distributed multi-agent systems in decentralized environments, with particular emphasis on unmanned mobile vehicle platforms. Although distributed coordination, control, and optimization have been studied extensively, practical deployment in real-world environments cannot be achieved solely by implementing distributed algorithms, because achievable system performance depends jointly on theoretical algorithms, communication support, and state estimation under realistic operating constraints. Along the path from theoretical formulation to practical realization, this dissertation addresses three closely related problems: distributed task assignment as an algorithmic instance of distributed multi-agent coordination, decentralized communication architecture, and onboard localization.

First, concession-based enhancement methods for distributed auction algorithms are presented to improve task assignment performance in dynamic environments. In particular, the Distributed Auction Algorithm with Benefit Adjustment Method (DAA-BAM) and the Distributed Auction Algorithm with Second-Best Bidding Method (DAA-SBBM) are proposed to mitigate persistent bidding conflicts and improve assignment efficiency. Simulation results show that DAA-BAM improves assignment quality from the perspective of agent satisfaction, whereas DAA-SBBM reduces convergence time by alleviating excessive competition for highly contested tasks.

Second, an ad-hoc networking system for unmanned mobile vehicles is presented based on a standalone communication module running custom firmware. By decoupling networking functions from the onboard control stack, the proposed architecture enables multi-hop communication while reducing integration burden across heterogeneous platforms. Outdoor experiments demonstrate the communication performance of the system and the feasibility of supervisory UAV control over multi-hop ad-hoc links, indicating that communication architecture is a core requirement for sustaining fully distributed operation in the field.

Third, a mobile UWB-based onboard localization system with free structural anchors is presented together with AVANC, a lightweight localization algorithm for real-time onboard operation. The proposed framework supports high-precision localization under geometrically challenging conditions, including coplanar anchor configurations, while remaining suitable for embedded implementation. Simulation and outdoor experimental results demonstrate the effectiveness and practical feasibility of the proposed method.

Taken together, the results of this dissertation suggest that the practical realization of distributed multi-agent systems requires integrated design across multiple system layers rather than separate treatment of individual components. This perspective is particularly important in infrastructure-limited environments, where the performance and practical completeness of the overall system depend not only on independent solutions for individual components, but also on their integrated design across the system.|본 학위논문은 분산 환경에서의 분산 멀티에이전트 시스템의 실용적 구현을, 특히 무인 이동체 플랫폼을 중심으로 다룬다. 분산 협조, 제어 및 최적화는 폭넓게 연구되어 왔으나, 실제 환경에서의 구현은 분산 알고리즘의 단순한 이론적 구현만으로 달성되지 않는다. 구현 가능한 시스템 성능은 현실적인 운용 제약 하에서 알고리즘 설계, 통신 지원, 위치추정이 어떻게 함께 구성되는가에 의해 좌우되기 때문이다. 이러한 이론과 구현 사이의 간극에 주목하여, 본 논문은 분산 멀티에이전트 협동의 알고리즘 사례로서의 분산 작업 할당, 탈중앙 통신 구조, 그리고 온보드 위치추정의 세 가지 상호 연관된 구현 지향 문제를 다룬다.

첫째, 동적 환경에서의 작업 할당 성능 향상을 위하여 분산 경매 알고리즘에 대한 양보 기반 개선 기법을 제안한다. 구체적으로, 지속적인 입찰 충돌을 완화하고 할당 효율을 향상시키기 위해 Distributed Auction Algorithm with Benefit Adjustment Method (DAA-BAM)와 Distributed Auction Algorithm with Second-Best Bidding Method (DAA-SBBM)를 제안하였다. 시뮬레이션 결과, DAA-BAM은 에이전트 만족도 측면에서 할당 품질을 향상시키고, DAA-SBBM은 경쟁이 집중되는 작업에서의 과도한 경쟁을 완화함으로써 수렴 시간을 단축하는 것으로 나타났다.

둘째, 독립형 통신 모듈과 전용 펌웨어를 기반으로 한 무인 이동체용 애드혹 네트워킹 시스템을 제시한다. 제안된 구조는 네트워킹 기능을 온보드 제어 스택으로부터 분리함으로써, 이기종 플랫폼 간 통합 부담을 줄이면서도 멀티홉 통신을 가능하게 한다. 야외 실험을 통해 제안 시스템의 통신 성능과 멀티홉 애드혹 링크를 통한 UAV 감독 제어의 가능성을 확인하였으며, 이는 통신 구조가 실제 분산 운용을 지속하기 위한 핵심 시스템 요구사항임을 보여준다.

셋째, 자유 구조형 앵커(free structural anchors)를 갖는 이동형 UWB 기반 온보드 위치추정 시스템과, 실시간 온보드 운용을 위한 경량 위치추정 알고리즘 AVANC를 통한 시스템 운영을 제시한다. 제안된 프레임워크는 공면 앵커 배치와 같은 기하학적으로 불리한 조건에서도 높은 위치추정 정확도를 유지하도록 설계되었으며, 동시에 임베디드 구현에 적합하도록 구성되었다. 시뮬레이션과 야외 실험 결과는 제안 기법의 유효성과 실용적 구현 가능성을 보여준다.

종합하면, 본 연구의 결과는 분산 멀티에이전트 시스템의 실용적 구현을 위해 여러 시스템 계층에서 발생하는 구현 문제를 함께 고려하고, 이에 대한 해결책을 통합적으로 설계하는 것이 필수적임을 시사한다. 이러한 관점은 특히 인프라가 제한된 환경에서 전체 시스템의 성능과 실용적 완성도가 개별 요소에 대한 독립적인 해결책뿐만 아니라 시스템 전반에 걸친 통합적 설계에 의해 좌우될 수 있음을 내포한다.