Safe Control Synthesis for Hybrid Systems through Local Control Barrier Functions

要約

コントロール バリア関数 (CBF) は、幅広い種類の非線形動的システムに対する安全な制御アーキテクチャを合成するための非常に汎用性の高いフレームワークを提供してきました。
通常、CBF ベースの合成アプローチは、システムの状態では非線形だが滑らかな関係、制御入力では線形の関係を示すシステムに適用されます。
対照的に、ハイブリッド動的システム、つまりシステム状態に不連続な関係があるシステムに対する CBF を使用した安全な制御合成の問題は、ほとんど解明されていないままです。
この研究では、CBF ベースの制御の進歩に基づいて、ハイブリッド動的システムの安全な制御合成のための理論を定式化します。
ローカル CBF がハイブリッド システムの動作モードごとに合成できるという仮定の下で、モード間の安全な切り替えを保証できる CBF を構築する方法を示します。
最終的には、グローバルな安全保証を提供するスイッチング CBF ベースのコントローラーが誕生します。
私たちが提案したアプローチの有効性は、2 つのシミュレーション研究で実証されています。

要約(オリジナル)

Control Barrier Functions (CBF) have provided a very versatile framework for the synthesis of safe control architectures for a wide class of nonlinear dynamical systems. Typically, CBF-based synthesis approaches apply to systems that exhibit nonlinear — but smooth — relationship in the state of the system and linear relationship in the control input. In contrast, the problem of safe control synthesis using CBF for hybrid dynamical systems, i.e., systems which have a discontinuous relationship in the system state, remains largely unexplored. In this work, we build upon the progress on CBF-based control to formulate a theory for safe control synthesis for hybrid dynamical systems. Under the assumption that local CBFs can be synthesized for each mode of operation of the hybrid system, we show how to construct CBF that can guarantee safe switching between modes. The end result is a switching CBF-based controller which provides global safety guarantees. The effectiveness of our proposed approach is demonstrated on two simulation studies.

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