Nested Field-of-View Barriers for Teleoperated Multi-Robot Relay Chains
作者: Arthur Vangasse, Theo Cruz, Thales Soares, André Cid, Vinícius Gonçalves, Gustavo Freitas, Luciano Pimenta
分类: cs.RO
发布日期: 2026-11-03
备注: 8 pages, 4 figures, 1 table. Submitted to the American Control Conference (ACC)
💡 一句话要点
提出共享自主框架以解决多机器人远程操作中的通信问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 共享自主 多机器人系统 远程操作 可见性控制 控制障碍函数 通信受限环境 嵌套约束
📋 核心要点
- 现有的远程操作方法在通信受限环境中面临连接性和移动性之间的矛盾，导致机器人无法有效跟随。
- 本文提出了一种共享自主框架，通过嵌套的硬软可见性约束来平衡连接性与移动性，确保机器人在安全集内的灵活移动。
- 实验结果显示，与基线方法相比，该框架在复杂环境中保持了更紧密的连接集，并减少了跟随者的移动，提升了整体性能。
📝 摘要（中文）
在通信受限环境中，移动机器人的远程操作需要保持通信链路，同时允许操作员自由操控。本文提出了一种共享自主框架，其中一个远程操作的领导者由一系列自主机器人跟随，这些机器人通过可见性控制障碍函数（CBFs）维持与固定基站的连接。该框架通过嵌套的硬软可见性约束解决了连接性与移动性之间的冲突，确保了在安全集边界内的连接性和机器人行为的灵活性。实验结果表明，该框架在复杂环境中表现优越，保持了更紧密的连接集并减少了跟随者的移动。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决在通信受限环境中，远程操作的移动机器人如何保持连接性与灵活性的问题。现有方法往往导致跟随者无法有效移动，影响整体任务的执行。
核心思路：提出了一种共享自主框架，利用嵌套的硬软可见性约束，确保机器人在保持连接性的同时，能够灵活移动，避免因静止而导致的任务停滞。
技术框架：该框架包括一个远程操作的领导者和多个自主跟随者，利用可见性控制障碍函数（CBFs）进行局部控制。每个机器人通过二次规划计算控制输入，确保在安全集内的连接性。
关键创新：最重要的创新在于引入了嵌套的硬软可见性约束，严格的全视场约束保证了连接性，而收缩的视场约束则允许跟随者在不影响连接性的情况下灵活移动。
关键设计：设计中关键的参数包括收缩参数，该参数影响跟随者的行为而不影响连接性保证。控制输入通过局部的二次规划计算，确保了在复杂环境中的可行性和安全性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，与基线方法相比，提出的框架在复杂环境中保持了更紧密的连接集，减少了跟随者的移动，提升了整体性能。具体而言，该框架在相似时间内实现了更高的连接性，展示了其在多机器人系统中的有效性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括无人机编队、灾后救援、以及其他需要在复杂环境中进行远程操作的多机器人系统。通过提升机器人在通信受限环境中的灵活性和连接性，能够显著提高任务执行的效率和安全性，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
Teleoperation of mobile robots in communication-denied environments requires maintaining a communication link while allowing the operator to maneuver freely. We propose a shared-autonomy framework in which a teleoperated leader is followed by a chain of autonomous robots that relays a line of sight to a fixed base station, a geometric proxy for the link. Connectivity is enforced geometrically through visibility-based Control Barrier Functions (CBFs), with each agent computing its control input locally through a quadratic program. A strict visibility constraint guarantees connectivity, but a follower with no independent motion objective remains stationary, stalling the leader at the boundary of the safe set. Relaxing it preserves mobility at the cost of the guarantee. Our framework resolves this conflict through nested hard-soft visibility constraints: a full field-of-view (FoV) constraint enforced strictly to guarantee connectivity and a contracted FoV constraint imposed on each follower as a relaxed behavioral objective that drives it inward before the connectivity boundary is reached. We prove feasibility of the local quadratic programs and forward invariance of the connected, collision-free set under the resulting distributed controller. The contraction parameter shapes follower behavior without affecting the guarantee, which follows from the strict constraint alone. The framework is evaluated in confined and cluttered environments on two simulated systems: a kinematic integrator and software-in-the-loop Crazyflie quadrotors. Compared with a baseline tuned to reach the goal in comparable time, the framework keeps the links far closer to the connected set and moves the followers less.