Collision Avoidance and Geofencing for Fixed-wing Aircraft with Control Barrier Functions

要約

航空宇宙制御では、安全性を重視した障害が致命的な結果をもたらすことがよくあります。
したがって、航空機の制御システムは、できれば安全な動作を正式に保証することで、安全制約を厳密に満たすことを保証する必要があります。
この論文では、衝突回避およびジオフェンシングタスクにおける固定翼航空機の安全重視の制御を確立します。
制御フレームワークが開発され、実行時保証 (RTA) システムが必要なときに航空機の公称飛行制御装置を調整して、航空機が他の航空機と衝突したり、宇宙の境界 (ジオフェンス) を越えたりするのを防ぎます。
RTA は、安全な動作が正式に保証されたコントロール バリア機能 (CBF) を使用する安全フィルターとして定式化されます。
CBF は、非線形運動学的な固定翼航空機モデルに対して構築され、比較されます。
提案された CBF ベースのコントローラーは、運動学モデルと高忠実度の動的モデルのシミュレーションによって実証されているように、衝突回避とジオフェンシングを同時に安全に実行する機能を示しています。

要約(オリジナル)

Safety-critical failures often have fatal consequences in aerospace control. Control systems on aircraft, therefore, must ensure the strict satisfaction of safety constraints, preferably with formal guarantees of safe behavior. This paper establishes the safety-critical control of fixed-wing aircraft in collision avoidance and geofencing tasks. A control framework is developed wherein a run-time assurance (RTA) system modulates the nominal flight controller of the aircraft whenever necessary to prevent it from colliding with other aircraft or crossing a boundary (geofence) in space. The RTA is formulated as a safety filter using control barrier functions (CBFs) with formal guarantees of safe behavior. CBFs are constructed and compared for a nonlinear kinematic fixed-wing aircraft model. The proposed CBF-based controllers showcase the capability of safely executing simultaneous collision avoidance and geofencing, as demonstrated by simulations on the kinematic model and a high-fidelity dynamical model.

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