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大數(shù)據(jù)文摘授權(quán)轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)的研究人員近來(lái)提出了一種可證明安全且計(jì)算效率高的分布式約束控制的理論，并描述了對(duì)具有有限機(jī)載硬件并受多種狀態(tài)和輸入約束的一組納米四旋翼飛行器的應(yīng)用。研究人員提出了ERG (Explicit Reference Governor) 框架的擴(kuò)展，并將其應(yīng)用于分布式系統(tǒng)情況。

對(duì)單個(gè)和多個(gè)納米四旋翼飛行器的比較模擬研究及實(shí)驗(yàn)研究，證明了所提出理論的有效性、穩(wěn)健性和可擴(kuò)展性。該控制策略應(yīng)用在實(shí)時(shí)車載掌上無(wú)人機(jī)上，可在不依賴任何離線軌跡計(jì)算的情況下實(shí)現(xiàn)安全的群協(xié)調(diào)控制。

成群空中無(wú)人飛行器正成為一種顛覆性技術(shù)

成群的空中無(wú)人飛行器（UAV）正在成為一種顛覆性技術(shù)，它支持高度可重新配置、按需、分布式的智能自主系統(tǒng)，對(duì)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的許多領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

無(wú)人機(jī)群迎接奧運(yùn)健兒凱旋

這些群飛行器可用于解決探索未知環(huán)境的任務(wù)。為了在不確定的現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境中有效運(yùn)行，群中的每個(gè)無(wú)人機(jī)都必須能夠沿著先驗(yàn)未知路徑安全地導(dǎo)航到其目標(biāo)。每個(gè)無(wú)人機(jī)不僅需要遵守其操作約束（例如執(zhí)行器飽和度、速度限制、允許的飛行區(qū)域），還必須避免與環(huán)境中的物體和其他無(wú)人機(jī)發(fā)生碰撞。

為了確保高度的安全性和魯棒性，無(wú)人機(jī)應(yīng)使用其機(jī)載計(jì)算資源，而不是依賴機(jī)外資源（例如地面控制站）。后者提供了一個(gè)中心故障點(diǎn)，并且容易受到時(shí)間延遲、通信開銷和信息丟失的影響。這就需要反應(yīng)式和分布式控制算法，這些算法可以在機(jī)載無(wú)人機(jī)中實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，并且僅依靠本地信息來(lái)安全地解決全球?qū)Ш饺蝿?wù)。

300架無(wú)人機(jī)點(diǎn)亮溫嶺上空

為一群為機(jī)載計(jì)算、電力、通信、傳感和驅(qū)動(dòng)提供有限資源的自主微型飛行器(MAV)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)滿意度和安全認(rèn)證具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。此外，即使對(duì)于具有更高級(jí)功能的大型平臺(tái)，可用于實(shí)施控制算法的計(jì)算能力通常也受到限制，無(wú)法運(yùn)行與定位和傳感系統(tǒng)相關(guān)的任務(wù)相關(guān)算法。因此，用于多機(jī)器人系統(tǒng)的計(jì)算效率高且可證明安全的機(jī)載算法對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全關(guān)鍵任務(wù)至關(guān)重要。

基于地面控制站的無(wú)人機(jī)群在障礙環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間曝光照片

群無(wú)人機(jī)技術(shù)已成為一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，涵蓋無(wú)人機(jī)技術(shù)和控制在內(nèi)的廣泛主題。然而目前為止，不存在一種適合所有無(wú)人機(jī)應(yīng)用的安全導(dǎo)航策略。大多數(shù)方法試圖通過(guò)在無(wú)人機(jī)外運(yùn)行基于核心搜索或基于優(yōu)化的算法來(lái)確保特定水平的安全性和魯棒性，從而將高計(jì)算成本外包給地面控制站，由地面控制站將軌跡發(fā)送到無(wú)人機(jī)。

四旋翼無(wú)人機(jī)群變換運(yùn)動(dòng)

目前為止，沒(méi)有任何可證明安全的控制技術(shù)，在存在執(zhí)行器、障礙物和無(wú)人機(jī)防撞約束的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有高階動(dòng)力學(xué)的大型納米四旋翼群的機(jī)載實(shí)時(shí)控制。

比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)的研究人員基于ERG，擴(kuò)展了集中式ERG框架和分布式ERG（D-ERG）。這使得ERG理論被擴(kuò)展到具有四階動(dòng)力學(xué)并受狀態(tài)和執(zhí)行器輸入約束的分布式多代理系統(tǒng)。這項(xiàng)工作提供了通用和可擴(kuò)展 D-ERG 框架的所有理論細(xì)節(jié)。

納米四旋翼飛行器群協(xié)調(diào)控制

研究人員為納米四旋翼飛行器群協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)了分兩個(gè)層面：控制層（Control Layer）和導(dǎo)航層(Navigation Layer)。

納米四旋翼飛行器示意圖

群協(xié)調(diào)控制的第一個(gè)任務(wù)由控制層處理?？刂茖拥哪繕?biāo)是使用經(jīng)典的非線性內(nèi)外環(huán)控制律來(lái)預(yù)穩(wěn)定各個(gè)四旋翼飛行器，這將使用不考慮系統(tǒng)約束并且不需要任何形式的無(wú)人機(jī)間協(xié)調(diào)的經(jīng)典內(nèi)-外循環(huán)控制器來(lái)完成。

預(yù)穩(wěn)定系統(tǒng)框圖

群協(xié)調(diào)控制的第二個(gè)任務(wù)由導(dǎo)航層處理。導(dǎo)航層負(fù)責(zé)操縱無(wú)人機(jī)以便使其始終滿足約束，此外，該層還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)群體并達(dá)到目標(biāo)配置

離散分布式約束控制架構(gòu)

無(wú)人機(jī)群系統(tǒng)中每個(gè)無(wú)人機(jī)的高階動(dòng)態(tài)由預(yù)穩(wěn)定控制 (PSC) 單元穩(wěn)定，該單元計(jì)算控制輸入僅使用狀態(tài)反饋并且不考慮約束。ERG塊以分布式方式放置在每個(gè)預(yù)穩(wěn)定無(wú)人機(jī)之前，并且僅依賴于其本地單跳球形鄰域中可用的信息來(lái)強(qiáng)制執(zhí)行狀態(tài)和輸入約束。

研究人員通過(guò)單機(jī)和機(jī)群實(shí)驗(yàn)展示驗(yàn)證了所提出控制策略的有效性。這些實(shí)驗(yàn)是在 Vicon 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中使用 Crazyflie 2.1 納米四旋翼飛行器進(jìn)行的。每架無(wú)人機(jī)的靜態(tài)安全半徑為0.08m，質(zhì)量約為35g。

總結(jié)與展望

比利時(shí)的研究人員提出了一個(gè)可證明安全的分布式約束控制框架的理論，即D-ERG。這種方法可以保證具有高階動(dòng)力學(xué)和大量硬約束（例如四個(gè)執(zhí)行器輸入限制以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)碰撞避免約束）的無(wú)人機(jī)的安全。與基于優(yōu)化的控制方案相比，該算法具有較低的計(jì)算成本和內(nèi)存成本。

由于這種附加方案只需要一個(gè)預(yù)先穩(wěn)定的設(shè)備，當(dāng)控制器不可訪問(wèn)或不允許更改時(shí)，它可以有很大的實(shí)際用途，這對(duì)于商業(yè)無(wú)人機(jī)飛行控制單元來(lái)說(shuō)是很常見的情況。其簡(jiǎn)單而有效的設(shè)計(jì)使其成為需要安全實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的有趣方法。

然而，一些限制仍然存在，可以在未來(lái)的工作中解決。例如，由于動(dòng)態(tài)安全裕度使用單個(gè)標(biāo)量來(lái)改變導(dǎo)航場(chǎng)方向上施加的參考信號(hào)的幅度，因此將這種技術(shù)應(yīng)用于狀態(tài)空間維度增加的系統(tǒng)時(shí)，性能會(huì)降低。此外，與明確預(yù)測(cè)或優(yōu)化未來(lái)軌跡的方法相比，這種基于穩(wěn)健水平集的 D-ERG 方法的代價(jià)是增加了保守性。

文獻(xiàn)信息

1.Convens B, Merckaert K, Vanderborght B, et al.Invariant Set Distributed Explicit Reference Governors for Provably SafeOn-Board Control of Nano-Quadrotor Swarms[J]. Frontiers in Robotics and AI,2021, 8: 129.

2.H?nig W, Preiss J A, Kumar T K S, et al. Trajectoryplanning for quadrotor swarms[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2018, 34(4):856-869.

3.Luis C E, Schoellig A P. Trajectory generation formultiagent point-to-point transitions via distributed model predictivecontrol[J]. IEEE Robotics and Automation Letters, 2019, 4(2): 375-382.

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不依賴預(yù)設(shè)軌跡，納米四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)安全群協(xié)調(diào)控制！

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