16、基于分布式单纯形架构的无碰撞3D集群运动

基于分布式单纯形架构的无碰撞3D集群运动

1. 引言

分布式单纯形架构（DSA）是一种新的运行时保障技术，能为分布式控制下的多智能体系统（MAS）提供安全保证。它受Sha等人的单纯形架构启发，但有显著不同。传统单纯形架构通过在高级控制器（AC，未经验证，可能不安全）的动作可能导致近期安全违规时，将控制切换到经过验证的安全基线控制器（BC）来保障安全，切换逻辑由经过验证的决策模块（DM）实现。不过，传统单纯形架构的适用性有限，主要用于集中控制架构的系统，或用于确保不依赖其他控制器输出的“局部”安全属性的分散控制系统。DSA通过重新设计传统单纯形架构，将其应用范围扩展到MAS，还实现了反向切换，即在安全时将控制切回AC。

本文简要介绍了DSA，并展示了其在无碰撞3D集群运动中的重要应用。在这个应用中，智能体形成集群，在有障碍物的环境中导航到目标位置，同时避免相互碰撞和与长方体障碍物碰撞。案例研究结果表明，DSA能防止所有潜在碰撞。

2. 分布式单纯形架构

2.1 多智能体系统安全问题与DSA组件

考虑一个由k个同质智能体组成的MAS，记为M = {1, …, k}，第i个智能体的非线性控制仿射动力学方程为：
$\dot{x} i = f(x_i) + g(x_i)u_i$
其中，$x_i \in D \subset R^n$ 是智能体i的状态，$u_i \in U \subset R^m$ 是其控制输入。对于智能体i，其邻居集$N_i \subseteq M$ 是通过传感或通信可获取其状态的智能体集合。所有智能体的组合状态记为向量$x = {x_1^T, x_2^T, …x_k^T}^T$，智能体i及其邻居