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

要約

本論文では、無人地上走行車（UGV）のために、運動学的（非ゼロ速度）障害物との衝突回避を支援する新しいクラスの制御バリア関数（CBF）を提案する。現在のCBFは、静的な障害物に対する安全性と衝突回避を保証することに成功していますが、トルク/加速度制御された一輪車や自転車モデルによる動的なケースへの拡張は、限られた成功にとどまっています。さらに、これらの非ホロノミックUGVモデルでは、既存のCBFのアプリケーションは、特定の一般的なシナリオの下でステアリング/スラスト制御ができないなど、制御の面で保守的であった。本論文では、経路計画における障害物回避のための古典的な衝突円錐の使用から着想を得て、一輪車と自転車モデルの両方について安全性を理論的に保証する新しいCBF定式化を紹介する。主な考え方は、車両に対する障害物の速度が常に車両から離れる方向にあることを保証することである。したがって、速度ベクトルが常に車両を指すベクトルの円錐を回避することを保証する制約を構築する。この新しい制御方法の有効性は、移動ロボットCopernicusで実験的に検証された。さらに、これを自転車モデルに拡張し、CARLAシミュレータで様々なシナリオの下で衝突回避を実証する。

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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