Collision avoidance for multirobot systems is a well-studied problem. Recently, control barrier functions (CBFs) have been proposed for synthesizing controllers that guarantee collision avoidance and goal stabilization for multiple robots. However, it has been noted that reactive control synthesis methods (such as CBFs) are prone to \textit{deadlock}, an equilibrium of system dynamics that causes the robots to stall before reaching their goals. In this paper, we analyze the closed-loop dynamics of robots using CBFs, to characterize controller parameters, initial conditions, and goal locations that invariably lead the system to deadlock. Using tools from duality theory, we derive geometric properties of robot configurations of an $N$ robot system once it is in deadlock and we justify them using the mechanics interpretation of KKT conditions. Our key deductions are that 1) system deadlock is characterized by a force-equilibrium on robots and 2) deadlock occurs to ensure safety when safety is on the brink of being violated. These deductions allow us to interpret deadlock as a subset of the state space, and we show that this set is non-empty and located on the boundary of the safe set. By exploiting these properties, we analyze the number of admissible robot configurations in deadlock and develop a provably-correct decentralized algorithm for deadlock resolution to safely deliver the robots to their goals. This algorithm is validated in simulations as well as experimentally on Khepera-IV robots.


翻译:避免多机器人系统碰撞是一个研究周密的问题。 最近, 已经提出控制屏障功能( CBFs ), 以合成控制器, 保证多个机器人避免碰撞和稳定目标。 但是, 已经注意到反应控制合成方法( 如 CBFs ) 容易出现 textit{ 死锁 ), 系统动态的平衡导致机器人在达到目标之前停顿。 在本文中, 我们分析使用 CBFs 的机器人闭路动态, 以描述控制器参数、 初始条件和目标位置, 总是导致系统陷入僵局。 使用双重性理论的工具, 我们得出一个机器人配置的几何特性, 机器人系统一旦陷入僵局, 我们就可以用KKT条件的机械解释来证明这些组合。 我们的主要推论是:(1) 系统僵局的特征是机器人在达到目标之前, 使机器人处于僵持不下状态, 当安全数字接近被打破时, 就会陷入僵局。 这些推论使我们能够将僵局解释为国家空间的一个子, 。 我们通过双重理论, 来分析这个设定的机器人的逻辑, 。

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