In this paper, we propose a novel framework using formal methods to synthesize a navigation control strategy for a multi-robot swarm system with automated formation. The main objective of the problem is to navigate the robot swarm toward a goal position while passing a series of waypoints. The formation of the robot swarm should be changed according to the terrain restrictions around the corresponding waypoint. Also, the motion of the robots should always satisfy certain runtime safety requirements, such as avoiding collision with other robots and obstacles. We prescribe the desired waypoints and formation for the robot swarm using a temporal logic (TL) specification. Then, we formulate the transition of the waypoints and the formation as a deterministic finite transition system (DFTS) and synthesize a control strategy subject to the TL specification. Meanwhile, the runtime safety requirements are encoded using control barrier functions, and fixed-time control Lyapunov functions ensure fixed-time convergence. A quadratic program (QP) problem is solved to refine the DFTS control strategy to generate the control inputs for the robots, such that both TL specifications and runtime safety requirements are satisfied simultaneously. This work enlights a novel solution for multi-robot systems with complicated task specifications. The efficacy of the proposed framework is validated with a simulation study.


翻译:在本文中,我们提出了一种新的框架,使用形式化方法为具有自动编队的多机器人群控制系统合成导航控制策略。问题的主要目标是将机器人群导航到目标位置,同时经过一系列航点。机器人群的编队应根据相应航点周围的地形限制进行更改。此外,机器人的运动应始终满足某些运行时安全要求,例如避免与其他机器人和障碍物碰撞。我们使用时态逻辑(TL)规范指定机器人群的期望航点和编队。然后,我们将航点的转换和编队表示为确定性有限转移系统(DFTS),并根据TL规范合成控制策略。同时,使用控制屏障函数来编码运行时安全要求,而固定时间控制李亚普诺夫函数确保固定时间收敛。通过解决二次规划(QP)问题,优化DFTS控制策略以生成机器人的控制输入,从而同时满足TL规范和运行时安全要求。这项工作为具有复杂任务规范的多机器人系统提供了一种新的解决方案。通过仿真研究验证了所提出框架的有效性。

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