[论文解读] Composition of Safety Constraints With Applications to Decentralized Fixed-Wing Collision Avoidance.

Eric Squires, Pietro Pierpaoli+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于屏障证书的方法，用于在执行器约束下实现固定翼无人机的去中心化碰撞规避，通过组合安全约束确保多架无人机之间的两两分离。该方法在20架无人机的仿真中保证了无碰撞飞行，即使在名义路径本应发生碰撞的情况下亦如此。

ABSTRACT

In this paper we discuss how to construct a barrier certificate for a control affine system subject to actuator constraints and motivate this discussion by examining collision avoidance for fixed-wing unmanned aerial vehicles (UAVs). In particular, the theoretical development in this paper is used to create a barrier certificate that ensures that two UAVs will not collide for all future times assuming the vehicles start in a safe starting configuration. We then extend this development by discussing how to ensure that multiple safety constraints are simultaneously satisfied in a decentralized manner (e.g., ensure robot distances are above some threshold for all pairwise combinations of UAVs for all future times) while ensuring output actuator commands are within specified limits. We validate the theoretical developments of this paper in the simulator SCRIMMAGE with a simulation of 20 UAVs that maintain safe distances from each other even though their nominal paths would otherwise cause a collision.

研究动机与目标

• 解决在去中心化方式下确保多架固定翼无人机无碰撞飞行的挑战。
• 开发一种方法，将多个安全约束组合，以确保所有两两距离均保持在阈值以上。
• 将执行器限制纳入屏障证书设计，以确保控制输入的可行性。
• 在包含大量无人机的高保真仿真环境中验证该方法。

提出的方法

• 为受执行器约束的控制仿射系统制定屏障证书。
• 采用组合方法将单个安全约束合并为一个证书，以确保同时满足所有约束。
• 确保生成的控制指令保持在指定的输出执行器限制范围内。
• 将该方法应用于去中心化控制架构，其中每架无人机基于本地信息独立计算其控制输入。
• 使用 SCRIMMAGE 无人机仿真器对理论框架进行验证，仿真中包含20架固定翼无人机。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何组合多个安全约束，以在去中心化无人机系统中确保两两距离的同步分离？
• RQ2 执行器约束对碰撞规避屏障证书设计有何影响？
• RQ3 能否构建一个单一屏障证书，以在尊重控制输入限制的前提下保证多架无人机的碰撞规避？
• RQ4 在去中心化环境中，该方法在无人机数量方面的可扩展性如何？

主要发现

• 所提出的屏障证书方法成功确保所有无人机之间的两两距离在未来所有时刻均保持在安全阈值以上。
• 该方法确保了执行器指令的可行性，且在指定限制范围内，保证了实际可实施性。
• 该方法在去中心化环境中具有可扩展性，适用于最多20架无人机。
• SCRIMMAGE中的仿真结果表明，即使在名义路径本应导致碰撞的情况下，无人机仍能成功避免碰撞。