Control Lyapunov functions (CLFs) and control barrier functions (CBFs) are widely used tools for synthesizing controllers subject to stability and safety constraints. Paired with online optimization, they provide stabilizing control actions that satisfy input constraints and avoid unsafe regions of state-space. Designing CLFs and CBFs with rigorous performance guarantees is computationally challenging. To certify existence of control actions, current techniques not only design a CLF/CBF, but also a nominal controller. This can make the synthesis task more expensive, and performance estimation more conservative. In this work, we characterize polynomial CLFs/CBFs using sum-of-squares conditions, which can be directly certified using convex optimization. This yields a CLF and CBF synthesis technique that does not rely on a nominal controller. We then present algorithms for iteratively enlarging estimates of the stabilizable and safe regions. We demonstrate our algorithms on a 2D toy system, a pendulum and a quadrotor.


翻译:控制 Lyapunov 函数和控制屏障函数( CBFs) 是广泛使用的合成受稳定和安全限制的控制器的工具。 以在线优化的方式, 它们提供稳定控制行动, 满足输入限制, 避免州空间的不安全区域。 设计具有严格性能保证的 CLF 和 CBF 具有计算上的挑战性。 为了证明控制行动的存在, 当前的技术不仅设计 CLF/ CBF, 而且还设计一个名义控制器。 这可以使合成任务更加昂贵, 性能估计更加保守。 在这项工作中, 我们用方形总和条件来描述多式 CLF/ CBFs, 使用convex 优化可以直接验证。 这产生一种 CLF和 CFF 合成技术, 不依赖于名义控制器。 我们然后提出反复扩大可稳定安全区域估算值的算法。 我们用 2D 玩具系统、 笔和 方形体显示我们的算法 。

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