[论文解读] Run Time Assurance for Autonomous Spacecraft Inspection

Kyle Dunlap, David van Wijk+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2023

Risk and Safety AnalysisDecision Sciences被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于控制障碍函数（CBF）与活动集不变性滤波器（ASIF）的运行时保证（RTA）框架，用于在自主多航天器检查任务中同时强制执行多项安全约束（如安全距离、速度限制和禁飞区）。通过蒙特卡洛仿真表明，集中式RTA在100%的案例中确保了安全，而分布式RTA在90.95%的案例中成功，失败原因在于多智能体禁飞区约束冲突，可通过约束松弛或自适应强化函数缓解。

ABSTRACT

As autonomous systems become more prevalent in the real world, it is critical to ensure they operate safely. One approach is the use of Run Time Assurance (RTA), which is a real-time safety assurance technique that monitors a primary controller and intervenes to assure safety when necessary. As these autonomous systems become more complex, RTA is useful because it can be designed completely independent of the primary controller. This paper develops several translational motion safety constraints for a multi-agent autonomous spacecraft inspection problem, where all of these constraints can be enforced with RTA. A comparison is made between centralized and decentralized control, where simulations of the inspection problem then demonstrate that RTA can assure safety of all constraints. Monte Carlo analysis is then used to show that no scenarios were found where the centralized RTA cannot assure safety. While some scenarios were found where decentralized RTA cannot assure safety, solutions are discussed to mitigate these failures.

研究动机与目标

• 为涉及被动目标航天器与主动伴飞航天器的自主多航天器检查任务开发安全约束。
• 评估运行时保证（RTA）在实时强制执行多项平动运动安全约束方面的有效性。
• 比较集中式与分布式RTA架构在多智能体航天器检查中实现安全保证的性能。
• 识别分布式RTA中的故障场景，并提出针对约束冲突的缓解策略。
• 展示结合基于ASIF的RTA与基于切换的RTA在推进剂受限机动中的实用性。

提出的方法

• 作者将航天器检查问题建模为由常微分方程控制的仿射控制动力学系统。
• 通过控制障碍函数（CBF）定义多项安全约束，包括安全距离、速度限制、禁飞区及动态速度约束。
• 采用活动集不变性滤波器（ASIF）通过二次规划实现这些约束，最小化与主控制器的偏差，同时确保安全性。
• 实现了集中式与分布式RTA架构，其中集中式版本具备所有伴飞航天器状态与约束的全局信息。
• 为实现推进剂限制的强制执行，引入基于切换的RTA方法，从激进的LQR控制器切换至备份控制器，引导伴飞航天器进入极端非机动轨迹（eNMT）。
• 在2,000组初始条件下进行蒙特卡洛仿真，以评估两种RTA架构下的安全保证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于ASIF的RTA能否在多航天器检查场景中同时有效强制执行多项平动安全约束？
• RQ2 在相同约束集下，集中式RTA与分布式RTA在安全保证可靠性方面有何差异？
• RQ3 分布式RTA中的故障原因是什么？这些故障是否可通过约束设计或自适应强化函数得到缓解？
• RQ4 在何种场景下，基于切换的RTA比ASIF在强制执行安全约束（如推进剂限制）方面更有效？
• RQ5 ASIF与基于切换的RTA的结合能否为复杂航天器检查任务提供稳健的安全保证框架？

主要发现

• 集中式RTA在全部2,000组蒙特卡洛测试案例中均成功保证了安全，实现100%成功率。
• 分布式RTA在90.95%的测试案例中实现了安全保证，失败原因归因于多智能体禁飞区约束冲突。
• 分布式RTA的故障发生在多个伴飞航天器同时试图避开同一禁飞区时，导致加速度不足以满足所有约束。
• 移除或松弛多智能体禁飞区约束后，分布式RTA的100%安全保证得以恢复，表明该约束对协调敏感。
• 基于切换的RTA方法通过切换至备份控制器，在推进剂预算耗尽前引导伴飞航天器进入eNMT，有效强制执行了推进剂限制。
• 仿真结果证实，基于ASIF的RTA对大多数约束均极为有效，但在复杂、资源受限场景中，需采用ASIF与基于切换的RTA相结合的混合方法才能实现最优安全保证。