Control Barrier Functions in UGVs for Kinematic Obstacle Avoidance: A Collision Cone Approach

要約

この論文では、運動学的 (非ゼロ速度) 障害物との衝突を回避するのに役立つ、無人地上車両 (UGV) 用の新しいクラスのコントロール バリア関数 (CBF) を提案します。
現在の形式のCBFは、静的な障害物との安全性/衝突回避を保証することに成功していますが、トルク/加速度制御の一輪車および自転車モデルを使用した動的ケースの拡張は、限られた成功しか収めていません.
さらに、これらの非ホロノミック UGV モデルでは、既存の CBF の適用は制御に関して保守的でした。つまり、特定の一般的なシナリオではステアリング/推力制御は不可能でした。
経路計画における障害物回避のための衝突コーンの古典的な使用からインスピレーションを得て、一輪車と自転車の両方のモデルの安全性を理論的に保証する新しい CBF の定式化を紹介します。
主なアイデアは、障害物 w.r.t の速度を確保することです。
車両は常に車両から離れた方向を向いています。
したがって、速度ベクトルが車両を指すベクトルの円錐を常に回避することを保証する制約を構築します。
この新しい制御方法の有効性は、コペルニクス モバイル ロボットで実験的に検証されています。
さらに自転車モデルに拡張し、CARLA シミュレーターのさまざまなシナリオでの衝突回避を示します。

要約(オリジナル)

In this paper, we propose a new class of Control Barrier Functions (CBFs) for Unmanned Ground Vehicles (UGVs) that help avoid collisions with kinematic (non-zero velocity) obstacles. While the current forms of CBFs have been successful in guaranteeing safety/collision avoidance with static obstacles, extensions for the dynamic case with torque/acceleration-controlled unicycle and bicycle models have seen limited success. Moreover, with these nonholonomic UGV models, applications of existing CBFs have been conservative in terms of control, i.e., steering/thrust control has not been possible under certain common scenarios. Drawing inspiration from the classical use of collision cones for obstacle avoidance in path planning, we introduce its novel CBF formulation with theoretical guarantees on safety for both the unicycle and bicycle models. The main idea is to ensure that the velocity of the obstacle w.r.t. the vehicle is always pointing away from the vehicle. Accordingly, we construct a constraint that ensures that the velocity vector always avoids a cone of vectors pointing at the vehicle. The efficacy of this new control methodology is experimentally verified on the Copernicus mobile robot. We further extend it to the bicycle model and demonstrate collision avoidance under various scenarios in the CARLA simulator.

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