The weight, space, and power limitations of small aerial vehicles often prevent the application of modern control techniques without significant model simplifications. Moreover, high-speed agile behavior, such as that exhibited in drone racing, make these simplified models too unreliable for safety-critical control. In this work, we introduce the concept of time-varying backup controllers (TBCs): user-specified maneuvers combined with backup controllers that generate reference trajectories which guarantee the safety of nonlinear systems. TBCs reduce conservatism when compared to traditional backup controllers and can be directly applied to multi-agent coordination to guarantee safety. Theoretically, we provide conditions under which TBCs strictly reduce conservatism, describe how to switch between several TBC's and show how to embed TBCs in a multi-agent setting. Experimentally, we verify that TBCs safely increase operational freedom when filtering a pilot's actions and demonstrate robustness and computational efficiency when applied to decentralized safety filtering of two quadrotors.


翻译:小型航空飞行器的重量、空间和功率限制往往妨碍应用现代控制技术,而没有显著的模型简化。 此外,高速的敏捷行为,如无人机赛车所展示的动作,使得这些简化的模型太不可靠,无法用于安全临界控制。在这项工作中,我们引入了时间变化的备用控制器(TBCs)概念:用户指定的操作与后备控制器相结合,产生参考轨迹,保证非线性系统的安全。TBCs比起传统的备份控制器减少保守主义,并可以直接用于多试剂协调,以保证安全。理论上,我们提供了TBCs严格减少保守性的条件,描述如何在几个TBC之间转换,并展示如何将TBCs嵌入多试剂环境。我们实验性地核实TBCs在过滤一个试验器的行动时安全地提高了操作自由度,并在应用两个梯体分散的安全过滤时展示了稳健性和计算效率。

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