Quadrotor Stabilization with Safety Guarantees: A Universal Formula Approach

要約

安全な安定化はクアッドローターにとって重要な課題であり、障害物を回避しながら目標位置に到達する必要があります。
この問題に対する既存のソリューションのほとんどは最適化ベースの方法に依存しており、大量のオンボード計算リソースを必要とします。
このペーパーでは、この問題に対処するための新しいアプローチを紹介し、オンボード実行に合わせた高速計算機能を提供するソリューションを提供します。
ソンタグの普遍的な公式からインスピレーションを得て、制御リアプノフ関数 (CLF) と制御バリア関数 (CBF) の条件を組み込んだ分析制御戦略を提案し、オンボードで最適化問題を解く必要性を効果的に回避します。
さらに、入力から状態への安定性 (ISS) と入力から状態への安全性 (ISSf) の概念を組み込むことでアプローチを拡張し、外乱を効果的に管理するユニバーサル公式の能力を強化します。
さらに、制御入力の制約に直面した場合でも普遍的な公式が有効であり続けることを保証するための投影ベースのアプローチを提案します。
このアプローチの基本的な考え方は、汎用公式から導出された制御入力を制御入力領域内の最も近い点に投影することです。
包括的なシミュレーションと実験結果を通じて、当社の方法論の有効性を検証し、利点を強調します。

要約(オリジナル)

Safe stabilization is a significant challenge for quadrotors, which involves reaching a goal position while avoiding obstacles. Most of the existing solutions for this problem rely on optimization-based methods, demanding substantial onboard computational resources. This paper introduces a novel approach to address this issue and provides a solution that offers fast computational capabilities tailored for onboard execution. Drawing inspiration from Sontag’s universal formula, we propose an analytical control strategy that incorporates the conditions of control Lyapunov functions (CLFs) and control barrier functions (CBFs), effectively avoiding the need for solving optimization problems onboard. Moreover, we extend our approach by incorporating the concepts of input-to-state stability (ISS) and input-to-state safety (ISSf), enhancing the universal formula’s capacity to effectively manage disturbances. Furthermore, we present a projection-based approach to ensure that the universal formula remains effective even when faced with control input constraints. The basic idea of this approach is to project the control input derived from the universal formula onto the closest point within the control input domain. Through comprehensive simulations and experimental results, we validate the efficacy and highlight the advantages of our methodology.

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