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

要約

無人航空機 (UAV)、特にクワッドローターは、その操縦性と汎用性によりさまざまな業界に革命をもたらしましたが、動的環境での安全な操作は、効果的な衝突回避技術に大きく依存しています。
この論文では、運動学的障害物を回避しながら、目的のルートに沿ってクワッドローターを安全にナビゲートするための新しい手法を紹介します。
提案されたアプローチでは、コントロール バリア関数を採用し、コリジョン コーンを利用して、クアッドローターの速度と障害物の速度が常に互いに反対方向を向くようにします。
特に、クワッドローターと障害物との間の相対速度が、衝突につながる可能性のあるベクトルの円錐を常に回避することを保証する新しい制約定式化を提案します。
提案された制約がクワッドローターの有効な制御バリア関数 (CBF) であることを示すことで、CBF-QP と呼ばれる二次プログラム (QP) を介してそのリアルタイム実装を活用できます。
複数のシナリオの下で動く障害物との衝突回避を実証することにより、提案された CBF-QP の有効性を検証します。
これは pybullet シミュレーターに示されています。
提案されたアプローチに。
この比較は、シミュレーションでも詳細に示されています。

要約(オリジナル)

Unmanned aerial vehicles (UAVs), specifically quadrotors, have revolutionized various industries with their maneuverability and versatility, but their safe operation in dynamic environments heavily relies on effective collision avoidance techniques. This paper introduces a novel technique for safely navigating a quadrotor along a desired route while avoiding kinematic obstacles. The proposed approach employs control barrier functions and utilizes collision cones to ensure that the quadrotor’s velocity and the obstacle’s velocity always point away from each other. In particular, we propose a new constraint formulation that ensures that the relative velocity between the quadrotor and the obstacle always avoids a cone of vectors that may lead to a collision. By showing that the proposed constraint is a valid control barrier function (CBFs) for quadrotors, we are able to leverage on its real-time implementation via Quadratic Programs (QPs), called the CBF-QPs. We validate the effectiveness of the proposed CBF-QPs by demonstrating collision avoidance with moving obstacles under multiple scenarios. This is shown in the pybullet simulator.Furthermore we compare the proposed approach with CBF-QPs shown in literature, especially the well-known higher order CBF-QPs (HO-CBF-QPs), where in we show that it is more conservative compared to the proposed approach. This comparison also shown in simulation in detail.

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