[论文解读] Distributed Control for a Robotic Swarm to Pass through a Curve Virtual Tube

Quan Quan, Yan Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2021

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 53被引用 6

一句话总结

本文提出一种分布式控制律，用于机器人集群通过弯曲的虚拟管道（在复杂环境中设计为安全走廊）导航，采用三种控制项：路径逼近、机器人避障和管道保持。该方法保证有限时间收敛至目标，同时确保机器人之间及与管道边界的碰撞避免，经仿真和真实世界实验验证，其计算速度优于控制屏障函数方法。

ABSTRACT

Robotic swarm systems are now becoming increasingly attractive for many challenging applications. The main task for any robot is to reach the destination while keeping a safe separation from other robots and obstacles. In many scenarios, robots need to move within a narrow corridor, through a window or a doorframe. In order to guide all robots to move in a cluttered environment, a curve virtual tube with no obstacle inside is carefully designed in this paper. There is no obstacle inside the tube, namely the area inside the tube can be seen as a safety zone. Then, a distributed swarm controller is proposed with three elaborate control terms: a line approaching term, a robot avoidance term and a tube keeping term. Formal analysis and proofs are made to show that the curve virtual tube passing problem can be solved in a finite time. For the convenience in practical use, a modified controller with an approximate control performance is put forward. Finally, the effectiveness of the proposed method is validated by numerical simulations and real experiments. To show the advantages of the proposed method, the comparison between our method and the control barrier function method is also presented in terms of calculation speed.

研究动机与目标

• 使机器人集群能够在复杂环境中安全通过狭窄、弯曲的通道。
• 解决基于编队和轨迹规划方法在大规模集群中可扩展性和适应性不足的问题。
• 设计一种分布式控制框架，确保在动态定义的安全区域（即虚拟管道）内实现无碰撞运动。
• 在保持机器人间距离和管道边界约束的同时，实现向目标的有限时间收敛。
• 相比集中式或基于屏障函数的方法，降低计算与通信负载。

提出的方法

• 设计一种具有三个分量的分布式控制器：路径逼近项用于引导机器人朝向目标路径，机器人避障项用于保持机器人间的分离距离，管道保持项用于将机器人限制在弯曲的虚拟管道内。
• 虚拟管道被定义为具有恒定半径的曲线，其内部无障碍物，作为安全区域。
• 控制器采用基于向量场的方法，利用人工势场生成仅依赖于局部信息的速度指令。
• 采用基于李雅普诺夫的稳定性分析，证明有限时间收敛性及碰撞避免。
• 为实际部署引入一种改进的控制器，通过近似性能降低计算复杂度。
• 理论证明表明，机器人不会陷入除期望最终状态外的任何平衡点，且不会违反管道边界或发生彼此碰撞。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过分布式控制律引导大规模机器人集群通过弯曲、狭窄的通道，同时确保安全与收敛？
• RQ2 在动态、去中心化的环境中，如何防止机器人间碰撞和边界违规？
• RQ3 与控制屏障函数相比，所提方法的计算效率如何？
• RQ4 尽管采用去中心化决策，系统能否保证有限时间收敛至目标？
• RQ5 改进的控制器在降低计算负载的同时，如何保持性能？

主要发现

• 所提出的分布式控制器确保所有机器人在避免与障碍物、管道边界及其他机器人碰撞的前提下，实现向目标截面的有限时间收敛。
• 形式化证明表明，系统不会陷入除期望最终状态外的任何平衡点。
• 改进的控制器在计算成本降低的同时保持了有效性能，适用于实时应用。
• 数值仿真与真实实验均证实该方法在复杂环境中的鲁棒性与实际可行性。
• 在计算速度方面，该方法优于基于控制屏障函数的方法，尤其在高集群密度下表现更优。
• 理论分析证实，机器人间距离与管道约束在整个任务过程中均被持续保持，确保了全程安全性。