This paper studies safety guarantees for systems with time-varying control bounds. It has been shown that optimizing quadratic costs subject to state and control constraints can be reduced to a sequence of Quadratic Programs (QPs) using Control Barrier Functions (CBFs). One of the main challenges in this method is that the CBF-based QP could easily become infeasible under tight control bounds, especially when the control bounds are time-varying. The recently proposed adaptive CBFs have addressed such infeasibility issues, but require extensive and non-trivial hyperparameter tuning for the CBF-based QP and may introduce overshooting control near the boundaries of safe sets. To address these issues, we propose a new type of adaptive CBFs called Auxiliary Variable CBFs (AVCBFs). Specifically, we introduce an auxiliary variable that multiplies each CBF itself, and define dynamics for the auxiliary variable to adapt it in constructing the corresponding CBF constraint. In this way, we can improve the feasibility of the CBF-based QP while avoiding extensive parameter tuning with non-overshooting control since the formulation is identical to classical CBF methods. We demonstrate the advantages of using AVCBFs and compare them with existing techniques on an Adaptive Cruise Control (ACC) problem with time-varying control bounds.


翻译:本论文研究了具有时间变化控制边界的系统的安全保障。已经证明,优化满足状态和控制约束的二次成本可以通过使用控制界限函数(CBFs)将其缩小为一系列二次规划问题(QP)。该方法的主要挑战之一是,当控制边界非常紧时,CBF-based QP 很容易变得不可行,特别是当控制边界是时间变化的时。最近提出的自适应CBFs已经解决了这种非可行性问题,但需要广泛而不平凡的超参数调整以及可能在安全集边界附近引入过度控制。为了解决这些问题,我们提出了一种新类型的自适应控制界限函数,称为辅助变量CBFs(AVCBFs)。具体而言,我们引入一个辅助变量,将其乘以每个CBF本身,并为辅助变量定义动态以适应构建相应的CBF约束。通过这种方式,我们可以改善CBF-based QP的可行性,同时避免非平凡参数调整和过度控制,因为公式与经典CBF方法相同。我们通过使用AVCBFs展示了其优势,并在具有时间变化控制边界的自适应巡航控制(ACC)问题上将其与现有技术进行比较。

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