Control Barrier Functions (CBF) are widely used to enforce the safety-critical constraints on nonlinear systems. Recently, these functions are being incorporated into a path planning framework to design safety-critical path planners. However, these methods fall short of providing a realistic path considering both the algorithm's run-time complexity and enforcement of the safety-critical constraints. This paper proposes a novel motion planning approach using the well-known Rapidly Exploring Random Trees (RRT) algorithm that enforces both CBF and the robot Kinodynamic constraints to generate a safety-critical path. The proposed algorithm also outputs the corresponding control signals that resulted in the obstacle-free path. The approach also allows considering model uncertainties by incorporating the robust CBF constraints into the proposed framework. Thus, the resulting path is free of any obstacles and accounts for the model uncertainty from robot dynamics and perception. Result analysis indicates that the proposed method outperforms various conventional RRT-based path planners, guaranteeing a safety-critical path with minimal computational overhead. We present numerical validation of the algorithm on the Hamster V7 robot car, a micro autonomous Unmanned Ground Vehicle that performs dynamic navigation on an obstacle-ridden path with various uncertainties in perception noises and robot dynamics.


翻译:控制障碍功能(CBF)被广泛用于执行非线性系统的安全临界限制。最近,这些功能正在被纳入设计安全关键路径规划师的路径规划框架;然而,考虑到算法的运行时间复杂性和安全关键限制的强制执行,这些方法还不足以提供现实的路径。本文件建议采用新颖的运动规划方法,使用众所周知的快速探索随机树(RRT)算法,既执行CBF和机器人Kino动力学算法,又产生安全关键路径。提议的算法还输出导致无障碍路径的相应控制信号。该算法还允许考虑模型不确定性,将稳健的 CBF限制纳入拟议框架。因此,由此产生的路径没有障碍,也没有说明模型不确定性来自机器人动态和感觉的任何原因。结果分析表明,拟议的方法超越了以快速探索随机图为基础的各种常规路径规划方法,保证了安全关键路径,且计算间接费用最小。我们在Hamster V7号机器人车上对算法进行了数字验证,这是一种微型自主的无人驾驶飞行器,在障碍性机器人动态上进行动态导航,且有各种不确定的噪音。

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