Contingency Model-based Control (CMC) for Communicationless Cooperative Collision Avoidance in Robot Swarms

📄 arXiv: 2512.20391v1 📥 PDF

作者: Georg Schildbach

分类: math.OC, cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-12-23

💡 一句话要点

提出基于应急模型的控制方法(CMC)，用于机器人集群中无通信的协同避障

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人集群 协同避障 无通信控制 应急模型 隐式协作

📋 核心要点

  1. 现有机器人集群协同避障方法依赖通信，但实际通信易受干扰，存在延迟和丢包等问题。
  2. 提出基于应急模型的控制（CMC），通过预定义的规则和应急轨迹实现无通信的隐式协作。
  3. 数值实验验证了CMC的有效性，保证了闭环操作中的递归可行性和避碰，并支持即插即用。

📝 摘要（中文）

机器人集群操作中的协同避障仍然是一个开放的挑战。在去中心化架构下，每个机器人负责做出自己的控制决策，包括运动规划。为此，大多数现有方法主要依赖于集群智能体之间的某种形式的（无线）通信。然而，在现实中，通信是脆弱的，可能受到延迟、进一步的延迟和数据包丢失、传输故障的影响，并且容易受到对抗性攻击，例如干扰或欺骗。本文提出基于应急模型的控制（CMC）作为一种无需通信的替代方案。它遵循隐式协作范例，其中机器人的设计基于协商一致的（离线）规则，类似于交通规则。这些规则包括为每个机器人定义应急轨迹，以及构建互避碰撞约束的方法。该设置被证明可以保证所有集群成员在闭环操作中的递归可行性和避碰。此外，CMC自然地满足即插即用范例，即对于进入集群的新机器人。两个数值例子表明，避碰保证是完整的，并且机器人集群在CMC机制下平稳运行。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决机器人集群在去中心化控制下，如何在缺乏可靠通信的情况下实现协同避障的问题。现有方法依赖无线通信，但通信链路的脆弱性（延迟、丢包、干扰等）严重影响了避障性能和鲁棒性。因此，如何在没有通信的情况下保证集群安全高效地运行是一个关键挑战。

核心思路：论文的核心思路是采用“隐式协作”范例，即通过预先设计好的、所有机器人共同遵守的规则来实现协同避障，而无需实时通信。每个机器人根据自身状态和预定义的规则独立决策，从而避免对通信的依赖。这种方法类似于交通规则，车辆通过遵守规则来实现交通秩序。

技术框架：CMC方法主要包含以下几个关键模块：1) 为每个机器人定义应急轨迹，该轨迹描述了在潜在碰撞情况下机器人应采取的规避动作。2) 构建互避碰撞约束，这些约束基于机器人的状态和应急轨迹，确保机器人之间保持足够的安全距离。3) 设计控制律，使机器人能够跟踪期望轨迹，并在必要时切换到应急轨迹。整个框架保证了在闭环操作中，所有机器人都能递归地保持可行性，并避免碰撞。

关键创新：CMC方法最重要的创新在于其无通信的协同避障机制。与依赖通信的方法相比，CMC具有更强的鲁棒性和可扩展性，能够应对通信受限或不可用的场景。此外，CMC自然地支持即插即用，新加入的机器人只需遵守预定义的规则即可融入集群，无需进行复杂的通信协议协商。

关键设计：应急轨迹的设计是CMC的关键。论文中应急轨迹的具体形式未知，但其设计需要考虑机器人的动力学约束、环境的静态障碍物以及其他机器人的潜在行为。互避碰撞约束的设计也至关重要，需要保证在各种情况下都能提供足够的安全裕量，同时避免过于保守导致集群效率下降。控制律的设计需要保证机器人能够准确跟踪期望轨迹，并在必要时快速切换到应急轨迹。

📊 实验亮点

论文通过数值实验验证了CMC的有效性。实验结果表明，在没有通信的情况下，CMC能够保证机器人集群安全地避开彼此，并平稳地完成任务。此外，实验还验证了CMC的即插即用特性，新加入的机器人能够快速融入集群并参与协同避障。具体的性能数据和对比基线未知。

🎯 应用场景

CMC方法适用于各种需要机器人集群协同工作的场景，例如：仓库物流、农业机器人、搜救行动、环境监测等。在这些场景中，通信可能受到限制或不可靠，CMC提供了一种鲁棒且可扩展的解决方案，能够保证集群的安全高效运行。未来，CMC可以进一步扩展到更复杂的环境和任务中，例如：动态环境、多目标优化等。

📄 摘要（原文）

Cooperative collision avoidance between robots in swarm operations remains an open challenge. Assuming a decentralized architecture, each robot is responsible for making its own control decisions, including motion planning. To this end, most existing approaches mostly rely some form of (wireless) communication between the agents of the swarm. In reality, however, communication is brittle. It may be affected by latency, further delays and packet losses, transmission faults, and is subject to adversarial attacks, such as jamming or spoofing. This paper proposes Contingency Model-based Control (CMC) as a communicationless alternative. It follows the implicit cooperation paradigm, under which the design of the robots is based on consensual (offline) rules, similar to traffic rules. They include the definition of a contingency trajectory for each robot, and a method for construction of mutual collision avoidance constraints. The setup is shown to guarantee the recursive feasibility and collision avoidance between all swarm members in closed-loop operation. Moreover, CMC naturally satisfies the Plug \& Play paradigm, i.e., for new robots entering the swarm. Two numerical examples demonstrate that the collision avoidance guarantee is intact and that the robot swarm operates smoothly under the CMC regime.