[논문 리뷰] Control Barrier Function Based Quadratic Programs with Application to Automotive Safety Systems.

Aaron D. Ames, Xiangru Xu외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 21.

Advanced Control Systems Optimization참고 문헌 34인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 실시간 자동차 제어 시스템에서 안전 제약 조건과 성능 목표를 동시에 충족하기 위해 제어 바리어 기능(CBFs)과 제어 르아프노프 기능(CLFs)을 사용하는 통합 프레임워크를 제안한다. 두 가지 새로운 CBF 일반화를 통해 안정성 조건을 만족시키는 전방 불변성으로서의 안전성을 정식화함으로써 액추에이터 제한 조건 하에서도 안전한 운영을 보장하며, 이는 적응형 크루즈 컨트롤 및 차선 유지 제어에서 효과적으로 입증되었다.

ABSTRACT

Safety critical systems involve the tight coupling between potentially conflicting control objectives and safety constraints. As a means of creating a formal framework for controlling systems of this form, and with a view toward automotive applications, this paper develops a methodology that allows safety conditions -- expressed as control barrier functions -- to be unified with performance objectives -- expressed as control Lyapunov functions -- in the context of real-time optimization-based controllers. Safety conditions are specified in terms of forward invariance of a set, and are verified via two novel generalizations of barrier functions; in each case, the existence of a barrier function satisfying Lyapunov-like conditions implies forward invariance of the set, and the relationship between these two classes of barrier functions is characterized. In addition, each of these formulations yields a notion of control barrier function (CBF), providing inequality constraints in the control input that, when satisfied, again imply forward invariance of the set. Through these constructions, CBFs can naturally be unified with control Lyapunov functions (CLFs) in the context of a quadratic program (QP); this allows for the achievement of control objectives (represented by CLFs) subject to conditions on the admissible states of the system (represented by CBFs). The mediation of safety and performance through a QP is demonstrated on adaptive cruise control and lane keeping, two automotive control problems that present both safety and performance considerations coupled with actuator bounds.

연구 동기 및 목표

• 안전 중심 자동차 제어 시스템에서 상충되는 안전 제약 조건과 성능 목표를 통합하는 데 도전하는 것.
• 시스템 상태가 항상 안전 영역 내에 유지되도록 집합의 전방 불변성을 통해 안전성을 공식화하는 것.
• 르아프노프 유사 조건 하에서 전방 불변성을 보장하는 두 가지 바리어 기능 일반화를 개발하여 강건한 안전성 검증을 가능하게 하는 것.
• CBFs와 CLFs를 단일 2차 프rogamming(QP) 내에서 통합하여 실시간 최적화를 통해 안전성과 성능을 균형 잡는 것.
• 액추에이터 제한 조건 하에서 실질적인 자동차 제어 응용 분야—적응형 크루즈 컨트롤과 차선 유지—에서 접근 방식을 검증하는 것.

제안 방법

• 전방 불변성을 보장하는 안전 집합의 특성을 유지하기 위해 두 가지 새로운 제어 바리어 기능(CBFs) 일반화를 도입한다.
• 각 CBF 설정에서 제어 입력에 대한 부등식 제약 조건을 유도하며, 이러한 조건이 만족될 경우 시스템 상태가 안전 영역 내에 유지됨을 보장한다.
• CBFs를 제어 르아프노프 기능(CLFs)과 결합하여 2차 프로그래밍(QP)에 통합하며, 여기서 CLFs는 성능 목표를, CBFs는 안전 제약 조건을 나타낸다.
• 실시간으로 QP를 해결하여 안전 제약 조건을 충족하면서 성능 비용을 최소화하는 제어 입력을 계산한다.
• 액추에이터 포화 제한 조건을 명시적으로 고려하여 두 가지 자동차 제어 문제—적응형 크루즈 컨트롤과 차선 유지—에 프레임워크를 적용한다.
• QP 해를 통해 공격적인 성능과 엄격한 안전성 간의 트레이드오프를 조정하여 실현 가능성과 실시간 구현 가능성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 바리어 기능을 사용하여 실시간 제어 시스템에서 안전 제약 조건을 공식화하고 강제로 구현할 수 있는가?
• RQ2 안전 집합의 전방 불변성을 보장하기 위해 필요한 제어 바리어 기능의 조건은 무엇인가?
• RQ3 어떻게 제어 바리어 기능을 단일 최적화 프레임워크 내에서 제어 르아프노프 기능과 통합할 수 있는가?
• RQ4 2차 프로그래밍은 자동차 제어 응용 분야에서 안전성과 성능을 조율하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 제안된 방법은 액추에이터 제한 조건을 어떻게 다루면서도 시스템의 안전성과 성능을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 두 가지 제어 바리어 기능 일반화가 안전 집합의 전방 불변성을 위한 충분 조건를 제공하며, 고전적 바리어 기능 이론을 확장한다.
• 각 CBF 설정은 제어 입력에 대한 부등식 제약 조건을 도출하며, 이러한 조건이 만족될 경우 시스템이 안전 영역 내에 머무름을 보장한다.
• CBFs와 CLFs를 QP 내에 통합함으로써 안전성과 성능 목표를 균형 잡는 제어 입력을 실시간으로 계산할 수 있다.
• 프레임워크는 액추에이터 포화 조건 하에서도 적응형 크루즈 컨트롤 및 차선 유지 시스템에서 안전성을 성공적으로 유지한다.
• QP 기반 해법은 계산적으로 구현 가능하며 자동차 안전 중심 응용 분야의 실시간 구현에 적합하다.
• 이 방법은 안전성과 성능을 최적화를 통해 함께 설계할 수 있음을 보여주며, 안전성은 CBF 제약 조건에 의해 보장된다.