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

要約

この論文では、運動学的な (速度がゼロではない) 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 バリア機能 (CBF) を提案します。
現在の形式の CBF は静的障害物との安全性/衝突回避を保証することに成功していますが、動的ケースの拡張では限定的な成功しか得られていません。
さらに、一輪車や自転車などの UGV モデルでは、既存の CBF の適用は制御の点で保守的であり、特定のシナリオではステアリング/推力制御が不可能でした。
軌道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 定式化を紹介します。
主なアイデアは、障害物に対する速度が確実に変化するようにすることです。
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、速度ベクトルが常に車両を指すベクトルの円錐を確実に回避する制約を構築します。
この新しい制御方法の有効性は、後に TurtleBot3 と F1Tenth での Pybullet シミュレーションによって検証されます。

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 have seen limited success. Moreover, with the UGV models like the unicycle or the bicycle, applications of existing CBFs have been conservative in terms of control, i.e., steering/thrust control has not been possible under certain scenarios. Drawing inspiration from the classical use of collision cones for obstacle avoidance in trajectory 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 later verified by Pybullet simulations on TurtleBot3 and F1Tenth.

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