Control Barrier Function Based UAV Safety Controller in Autonomous Airborne Tracking and Following Systems

要約

UAV の安全な運用は、さまざまなミッション クリティカルおよびセーフティ クリティカルな UAV アプリケーションにとって最も重要です。
空中ターゲットの追跡と追跡のコンテキストでは、UAV は衝突を回避しながら飛行ターゲットを追跡し、その軌道を厳密に追跡する必要があります。
飛行目標が非協力的で不安定な動きをする場合、安全状況は危機的かつより複雑になります。
この論文は、自律的に高速移動する動的クアローター UAV を追跡し、別のターゲット UAV を追従する際の衝突回避方法を提案します。
これは、軌道追跡コントローラからの制御入力の変更を最小限に抑え、安全性を保証する安全コントローラを設計することによって実現されます。
この方法により、私たちが提案する安全コントローラーと既存のフライトコントローラーをペアリングすることができます。
当社のセーフティ コントローラは、コントロール バリア関数ベースの 2 次プログラム (CBF-QP) を使用して、ターゲットの軌道に厳密に追従しながら、安全な動作を可能にする最適な制御入力を生成します。
私たちは PX4 フライト コントローラー上の AirSim シミュレーターにソリューションを実装し、数値結果をもとに、複数のシナリオと軌道を使用したいくつかのシミュレーション実験を通じてアプローチを検証します。

要約(オリジナル)

Safe operations of UAVs are of paramount importance for various mission-critical and safety-critical UAV applications. In context of airborne target tracking and following, UAVs need to track a flying target avoiding collision and also closely follow its trajectory. The safety situation becomes critical and more complex when the flying target is non-cooperative and has erratic movements. This paper proposes a method for collision avoidance in an autonomous fast moving dynamic quadrotor UAV tracking and following another target UAV. This is achieved by designing a safety controller that minimally modifies the control input from a trajectory tracking controller and guarantees safety. This method enables pairing our proposed safety controller with already existing flight controllers. Our safety controller uses a control barrier function based quadratic program (CBF-QP) to produce an optimal control input enabling safe operation while also follow the trajectory of the target closely. We implement our solution on AirSim simulator over PX4 flight controller and with numerical results, we validate our approach through several simulation experiments with multiple scenarios and trajectories.

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