论次优安全关键跟踪控制器设计

本文提出了一种基于状态相关黎卡提方程（SDRE）方法的非线性系统安全关键最优轨迹跟踪新框架。通过将屏障状态嵌入系统动力学，所提策略可同时确保安全与跟踪要求，即使在这些目标可能存在内在冲突的场景中也是如此。构建了一种折扣伪二次代价函数，以在跟踪精度、控制 effort 与安全目标之间实现次优权衡。我们提出了两种不同的控制器设计：一种利用单一屏障状态来强制执行整体安全约束；另一种采用多个屏障状态以分别针对每个安全约束调整系统的保守性，从而在针对各个约束调整系统保守性时提供更强的灵活性。我们建立了确保相关黎卡提方程可解性的充分条件。所提出的安全控制器非常适合在实际系统中进行实时实现，因为其计算需求合理且与广泛可用的嵌入式微处理器兼容。这一点得到了涉及机械系统和移动机器人避障场景的仿真研究的支持，其中安全SDRE控制器在具有挑战性的条件下持续保持安全，同时实现了轨迹跟踪目标。此外，在绳驱并联机器人上的实验结果进一步证明了所提方法在真实世界控制任务中的实用性与有效性。