Collision-free landing of multiple UAVs on moving ground vehicles using time-varying control barrier functions

要約

この記事では、コントロールバリア関数（CBF）を使用して、無人の地上車両（UGV）を移動するために着陸するための複数の無人航空機（UAV）を制御するための集中型アプローチを提示します。
提案された制御フレームワークは、2種類のCBFを使用して、UAVの動きに安全上の制約を課しています。
CBFS（LCBF）の最初のクラスは、UGVに安全かつ正確にUAVを着陸させるように設計された、着陸プラットフォームの中心にある3次元指数関数的に減衰する関数です。
2番目のセットは球状のCBF（SCBF）で、UAVのすべてのペア間で定義されているため、それらの間の衝突を回避します。
LCBFは時変であり、UGVの動きに適応します。
提案されているCBFアプローチでは、着陸プラットフォームに到達するように設計されたUAVの公称追跡コントローラーからの制御入力がフィルター処理され、安全性を保証する最小限の制御コントロール入力（CBFで定義されています）が選択されます。
すべてのUAVの制御入力は、複数のCBF制約を確立する際に共有されるため、コントロール入力が安全なセットを前方に変えることに競合することなく共有されることを証明します。
制御フレームワークのパフォーマンスは、3つの移動ターゲットに着陸する3つのUAVを含むシミュレートされたシナリオを通じて検証されます。

要約(オリジナル)

In this article, we present a centralized approach for the control of multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) for landing on moving unmanned ground vehicles (UGVs) using control barrier functions (CBFs). The proposed control framework employs two kinds of CBFs to impose safety constraints on the UAVs’ motion. The first class of CBFs (LCBF) is a three-dimensional exponentially decaying function centered above the landing platform, designed to safely and precisely land UAVs on the UGVs. The second set is a spherical CBF (SCBF), defined between every pair of UAVs, which avoids collisions between them. The LCBF is time-varying and adapts to the motions of the UGVs. In the proposed CBF approach, the control input from the UAV’s nominal tracking controller designed to reach the landing platform is filtered to choose a minimally-deviating control input that ensures safety (as defined by the CBFs). As the control inputs of every UAV are shared in establishing multiple CBF constraints, we prove that the control inputs are shared without conflict in rendering the safe sets forward invariant. The performance of the control framework is validated through a simulated scenario involving three UAVs landing on three moving targets.

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