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四旋翼运动规划的动力学安全保证

TheodorosTavoulareasMarziaCescon

DepartmentofMechanicalandAerospaceEngineering,University

ofHouston,HoustonTX,77004USA(e-mails:

ttavoulareas@uh.edu,mcescon2@uh.edu).

摘要自主无人机在实际应用场景中，如有哪些信誉好的足球投注网站和救援、检查和交付等领域获得了相当大的关

注。随着它们在民用应用中的使用越来越普遍，未能确保安全操作可能导致系统物理损坏、

环境污染，甚至人员伤亡。最近的研究表明，运动规划技术可以有效地在导航过程中生成

无碰撞轨迹。然而，这些方法虽然创建了运动计划，但并没有内在地考虑系统的安全操作

区域，导致部署期间可能违反潜在的安全约束条件。本文提出了一种利用动力学运动规划

本方案中的运行时安全保证来满足系统操作约束的方法。首先，我们使用基于采样的几何的

译规划器确定用户定义空间内的高层无碰撞路径。其次，我们设计了一个低层的安全保证滤

中波器，以提供对用于轨迹跟踪的线性二次调节器（LQR）控制输入的安全保证。我们在一

1个受限的3D模拟环境中使用Crazyflie2.0无人机模型展示了我们的方法。

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9Keywords:运动规划，最优控制，安全关键系统，无人机

7

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71.介绍

1

.

7

0无人机（UAV），通常被称为无人驾驶飞行器，被设计

5为自主运行或在最少的人工干预下运行，并且可以执行

2

:各种以前对人类来说难以到达或危险的任务和行动。它

v

i们为各种现实世界的问题提供了重要的解决方案，例

x

r如有哪些信誉好的足球投注网站和救援、勘测和测绘、仓库监控、交付和农业

a

（Fahlstrometal.(2022)）。特别是，由于人们期望无人

机在关键任务和行动中自主运行，在环境理解不足的情

况下运行，并且经常在人类和其他智能系统附近运行，

因此确保它们在任何情况下都能安全可靠地运行成为

首要任务。图1.带有Crazyflie2.0四旋翼飞行器（黄色球体）起

始位置和目标配置（绿色球体）的3D工作空间环

因此，安全需求是至关重要的，因为无人机研究正在解

境。四旋翼飞行器的任务是在墙壁之间飞行以达到

决实际的工程挑战（Hobbsetal.(2023)）。特别是，在

目标。

具有安全保障的运动规划背景下，规划框架的目标是在

动力学完全已知的情况下保证在状态条件方面的安全以便防止昂贵的硬件故障并提高收敛性（Brunkeetal.

性。为确定性环境开发的在线规划器不足以管理不确定(2022)）。

性，因为它们通常依赖于重新规划策略或反馈控制器

在这项工作中，我们专注于为运动动力学规划提供安全

（Guoetal.(2023)）。因此，对于运动规划器来说，在

保障的问题，并且我们将注意力集中在四旋翼飞行器

实时中考虑不确定性并有效应对以确保安全至关重要，

上作为一个代表性系统。我们考虑如图1所示的情景，

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