gatekeeper: Online Safety Verification and Control for Nonlinear Systems in Dynamic Environments

要約

この論文では、ゲートキーパー アルゴリズムについて説明します。これは、センシングの制限にもかかわらず、非線形システムの軌道が安全制約を満たすことを保証する、リアルタイムで計算量が少ない手法です。
ゲートキーパーは、追加の検証ステップを導入することで、既存のパス プランナーおよびフィードバック コントローラーと統合し、境界のある外乱、入力制約、および環境の部分的な知識の影響を受ける非線形ダイナミクスにもかかわらず、提案された軌道が安全に実行できることを確認します。
私たちの主な貢献は、(A) (短い) 有限の水平線にわたってシステムを数値的に前方伝播することによって安全な軌道を再帰的に構築するアルゴリズムを提案すること、および (B) そのような軌道を追跡することでシステムが将来にわたって安全であり続けることを証明することです。
時間、つまり有限の地平線の彼方。
この方法を、動的な消火活動のシミュレーションと、オンラインで感知される障害物環境内を移動するクアッドローターの物理実験で実証します。
同様の問題について、最先端の技術との比較も提供します。

要約(オリジナル)

This paper presents the gatekeeper algorithm, a real-time and computationally-lightweight method that ensures that trajectories of a nonlinear system satisfy safety constraints despite sensing limitations. gatekeeper integrates with existing path planners and feedback controllers by introducing an additional verification step to ensure that proposed trajectories can be executed safely, despite nonlinear dynamics subject to bounded disturbances, input constraints and partial knowledge of the environment. Our key contribution is that (A) we propose an algorithm to recursively construct safe trajectories by numerically forward propagating the system over a (short) finite horizon, and (B) we prove that tracking such a trajectory ensures the system remains safe for all future time, i.e., beyond the finite horizon. We demonstrate the method in a simulation of a dynamic firefighting mission, and in physical experiments of a quadrotor navigating in an obstacle environment that is sensed online. We also provide comparisons against the state-of-the-art techniques for similar problems.

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