Robust Safety Critical Control Under Multiple State and Input Constraints: Volume Control Barrier Function Method

要約

この論文では、複数の制御バリア関数（CBF）の制約と入力制約の下での不確実なシステムの安全性が批判的な制御問題を調査します。
安全性リスクが発生したときに参照入力の変更を最小限に抑えて、安全性とパフォーマンスのバランスを確保する安全フィルターを生成するために、新しいフレームワークが提案されています。
エラーの符号（Rise）の堅牢な積分に基づく非線形妨害オブザーバー（DOB）は、システムの不確実性を推定するために使用され、推定誤差が指数関数的にゼロに収束することを保証します。
このエラーバウンドは、安全性の高いコントローラーに統合され、安全性を確保しながら保守性を低下させます。
複数のCBFと入力制約から生じる課題にさらに対処するために、2次プログラミング（QP）問題の実行可能なスペースを分析することにより、新しいボリュームCBF（VCBF）が提案されています。
％ボリュームを正の値として保持することにより、ソリューションの実現可能性を確保します。
実行可能なスペースが妨害下で消滅しないようにするために、DOB-VCBFベースの方法が導入され、結果のQPの実現可能性を維持しながらシステムの安全性が保証されます。
その後、提案されたコントローラーの有効性を検証するために、シミュレーションと実験結果のいくつかのグループが提供されます。

要約(オリジナル)

In this paper, the safety-critical control problem for uncertain systems under multiple control barrier function (CBF) constraints and input constraints is investigated. A novel framework is proposed to generate a safety filter that minimizes changes to reference inputs when safety risks arise, ensuring a balance between safety and performance. A nonlinear disturbance observer (DOB) based on the robust integral of the sign of the error (RISE) is used to estimate system uncertainties, ensuring that the estimation error converges to zero exponentially. This error bound is integrated into the safety-critical controller to reduce conservativeness while ensuring safety. To further address the challenges arising from multiple CBF and input constraints, a novel Volume CBF (VCBF) is proposed by analyzing the feasible space of the quadratic programming (QP) problem. % ensuring solution feasibility by keeping the volume as a positive value. To ensure that the feasible space does not vanish under disturbances, a DOB-VCBF-based method is introduced, ensuring system safety while maintaining the feasibility of the resulting QP. Subsequently, several groups of simulation and experimental results are provided to validate the effectiveness of the proposed controller.

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