具有形式化安全保证的四旋翼无人机可达-避碰控制综合

可达-避碰规范是自主飞行器（UAV）应用中最常见的任务之一。尽管与飞行器控制相关的研究和开发投入巨大，但在复杂环境中生成可行轨迹并对其进行跟踪且具有形式化安全保证仍然具有挑战性。在本文中，我们提出了一种四旋翼无人机的控制框架，该框架能够以形式化安全保证完成可达-避碰任务。在该框架中，我们集成了用于跟踪的几何控制理论和基于贝塞尔曲线的多项式轨迹生成，其中轨迹合成过程中考虑了跟踪误差。为了估计跟踪误差，我们重新分析了实现几何控制时四旋翼闭环系统的稳定性。我们表明，当使用任意正控制增益实现几何控制时，跟踪误差动态表现出局部指数稳定性，并推导出跟踪误差的紧致一致界。我们还利用推导出的一致界引入了施加于期望轨迹的充分条件，以确保闭环系统的良定义性。对于轨迹合成，我们提出了一种高效算法，通过基于采样的规划和安全超矩形集计算来构建安全管。然后，我们通过安全管计算轨迹（以分段连续贝塞尔曲线形式给出），其中采用了利用迭代线性规划的启发式高效方法。我们通过杂乱环境中的大量数值模拟，展示了所提框架在可达-避碰规划场景中的有效性。