Distributed Safe Consensus Under Asymmetric Input and Time-Varying Output Constraints
作者: Abhinav Sinha, Shashi Ranjan Kumar
分类: eess.SY, cs.MA, cs.RO, math.DS
发布日期: 2026-06-15
💡 一句话要点
提出一种分布式安全共识方法以解决不对称输入和时变输出约束问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 分布式共识 多智能体系统 安全控制 不对称输入 时变约束 障碍坐标变换 同步法则
📋 核心要点
- 现有方法在处理多智能体系统的安全共识时，难以同时满足不对称输入和时变输出约束，导致系统稳定性不足。
- 论文提出了一种基于障碍坐标变换的分布式同步法则，通过引入图形协调层和执行器跟踪层，实现输入和输出的安全约束。
- 实验结果表明，所提方法使得所有信号保持有界，执行器输入严格在不对称边界内，输出安全区间内，且同步误差指数收敛至零。
📝 摘要（中文）
本文研究了在连接的无向图上，针对单积分多智能体系统的安全分布式共识问题，考虑了不对称执行器约束和输出安全约束。每个智能体配备了一个连续可微的不对称执行器动态，该动态将指令控制信号映射到实际植物输入，同时保持在规定的可接受区间内。为了解决输出安全问题，提出了一种在共同时变安全区间上的障碍坐标变换，并在变换坐标中设计了分布式同步法则。结果表明，所提出的控制器能够同时实现输入可接受性、安全输出集的前向不变性和渐近同步。数值仿真验证了该框架的有效性，展示了在不对称执行约束和时变输出约束下的安全共识。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决在不对称输入和时变输出约束下的多智能体系统的安全分布式共识问题。现有方法在同时满足这些约束时存在困难，导致系统的稳定性和安全性不足。
核心思路：论文通过引入障碍坐标变换，设计了一种分布式同步法则，以确保在不对称执行器约束下，智能体能够安全地达成共识。这样的设计使得控制信号能够在规定的安全区间内运行，同时保证系统的稳定性。
技术框架：整体架构包括两个主要模块：图形协调层和执行器跟踪层。图形协调层负责智能体之间的通信与协调，而执行器跟踪层则确保控制信号在可接受区间内。通过这两个层次的结合，实现了输入和输出的安全约束。
关键创新：最重要的技术创新在于引入了障碍坐标变换和分布式同步法则的结合，这一方法能够有效处理不对称输入和时变输出约束，显著提升了系统的安全性和稳定性。与现有方法相比，能够在更复杂的约束条件下实现安全共识。
关键设计：关键设计包括障碍坐标变换的具体实现，以及在变换坐标中设计的同步法则。参数设置方面，确保了执行器输入严格在不对称边界内，并且输出始终保持在安全区间内。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，所提方法在不对称执行约束和时变输出约束下，所有信号均保持有界，执行器输入严格在不对称边界内，且输出始终在安全区间内。同步误差以指数速率收敛至零，验证了方法的有效性和优越性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括无人机编队、自动驾驶车辆和多机器人系统等需要协同工作的场景。通过确保在复杂约束条件下的安全共识，能够提高系统的稳定性和安全性，具有重要的实际价值和广泛的应用前景。
📄 摘要（原文）
This paper studies safe distributed consensus for single-integrator multi-agent systems over connected undirected graphs under simultaneous asymmetric actuator constraints and output safety constraints. Each agent is equipped with a continuously differentiable asymmetric actuator dynamics that maps a commanded control signal to the realized plant input while keeping the latter strictly inside a prescribed admissible interval. To address output safety, a barrier-coordinate transformation is introduced over a common time-varying safe interval, and a distributed synchronization law is designed in the transformed coordinates. The resulting controller integrates a graph-based coordination layer with an actuator-side tracking layer, thereby enabling simultaneous enforcement of input admissibility, forward invariance of the safe output set, and asymptotic synchronization. For compact admissible sets of initial conditions, it is shown that the closed-loop solution is complete, all signals remain bounded, the actuator inputs remain strictly within their asymmetric bounds, and the agent outputs remain inside the prescribed safe interval for all time. Moreover, the transformed synchronization errors converge exponentially to zero, and the original agent outputs asymptotically synchronize to a designer-selected admissible trajectory embedded in the common safe interval. Numerical simulations validate the proposed framework and demonstrate safe consensus under both asymmetric actuation bounds and time-varying output constraints.