Safe Cooperative Control of Mobile Robotic Networks Based on Control Barrier Functions

基于控制屏障函数的移动机器人网络安全协同控制

• 批准号: 21K04113
• 负责人: 伊吹 竜也
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Meiji University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04113/
• 关键词: 制御工学; モバイルロボティックネットワーク; 協調制御; 制御バリア関数

2022年度は，当初の研究計画で掲げていた3つの諸問題について，2021年度までの成果を順調に発展させた．まず，課題(a)：「円形・球体以外の形状のロボット群に対する分散型衝突回避則の提案」では，楕円形状を有するロボット群に対して，2021年度に考案した衝突回避則および制御性能解析をさらに発展させ，その内容が国際学術雑誌論文に採録された．また，制御バリア関数に基づく安全性を考慮した分散型協調制御問題に対して，各ロボットが制御入力に外乱を含む場合や，より一般的なシステムモデルを有する場合へ拡張させ，これらの成果についても国内外の学術雑誌論文に採録された．課題(b)：「3次元特殊直交群（SO(3)）上の制御バリア関数に基づく安全性を考慮した協調制御問題の考察」では，単一または複数のドローンによる貨物運搬制御問題を考察した．ここでは，研究代表者が独自に考案したSO(3)上の制御バリア関数を用いて，ドローン自体の姿勢変動の抑制や，貨物の揺れの抑制，さらには複数のドローンの場合のドローン間の衝突回避手法の提案を試みている．また，数値シミュレーションや実験環境の構築を行った．課題(c)：「制御バリア関数に基づく学習型衝突回避則の提案」では，2021年度までに考案した機械学習の一手法であるガウス過程回帰に基づく安全性を保証する新たな制御バリア関数の設計手法をさらに発展させ，その成果が国際学術論文に採録された．以上の本研究課題の主な研究成果に加えて，安全性を考慮したドローンの機体設計手法や，ガウス過程回帰による未知外乱学習に基づくドローンの位置姿勢制御手法の提案，ロボティックネットワークによる機械学習に基づく分散型障害物形状学習手法の提案など，本研究課題に関連する研究成果を多数挙げた．以上の研究成果についても，複数の学術雑誌論文に採録され，その学術的意義が認められている．

2022年，我们针对原研究计划中提出的三个问题，成功制定了到2021年取得的成果。首先，针对问题（a）：“针对非圆形或球形形状的机器人群的分布式防撞律的提议”，我们将分析 2021 年为一组具有非圆形或球形形状的机器人设计的防撞律和控制性能。我们对此进行了进一步的发展，其内容已被国际学术期刊接受发表。此外，我们将基于考虑安全性的控制障碍函数的分布式协作控制问题扩展到每个机器人的控制输入中包含干扰的情况以及使用更通用的系统模型的情况，并讨论了这些结果。该论文还被国内外学术期刊接受发表。作业（b）：“基于三维特殊正交群（SO（3））上的控制障碍函数考虑安全性的协作控制问题”考虑使用单个或多个无人机的货物运输控制问题。做过。这里，首席研究员最初设计的SO(3)上的控制障碍函数用于抑制无人机本身的姿态波动，抑制货物的晃动，甚至在情况下控制无人机之间的距离。我们正在尝试提出一种避免碰撞的方法。我们还进行了数值模拟并构建了实验环境。任务（c）：“基于控制屏障函数的学习防撞规则的建议”是一种基于高斯过程回归保证安全的新型控制屏障函数，是2021年设计的机器学习方法。设计方法进一步开发，其结果被接受为国际学术论文。除了本课题的上述主要研究成果外，我们还提出了考虑安全性的无人机机身设计方法、利用高斯过程回归的基于未知扰动学习的无人机位置和姿态控制方法以及利用机器人网络的机器学习列出了与该研究主题相关的许多研究成果，包括基于 的分布式障碍物形状学习方法的提出。上述研究成果已被多篇学术期刊论文接收，其学术意义得到认可。

项目成果

ネットワークトシステム制御研究室

网络系统控制实验室

Design and Experimental Verification of a Hoverable Quadrotor Composed of Only Clockwise Rotors

仅顺时针旋翼悬停四旋翼飞行器的设计与实验验证

• DOI: 10.1080/01691864.2023.2185813
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 2
• 作者: Takumi Ito; Riku Funada; Shusuke Mochida; Takahiro Kawagoe; Tatsuya Ibuki; Mitsuji Sampei
• 通讯作者: Mitsuji Sampei

Robust Pose Tracking Control for a Fully-actuated Hexarotor UAV Based on Gaussian Processes

基于高斯过程的全驱动六旋翼无人机的鲁棒位姿跟踪控制

• DOI: 10.1080/18824889.2022.2125242
• 发表时间: 2022
• 作者: Tatsuya Ibuki; Hiroto Yoshioka; Mitsuji Sampei
• 通讯作者: Mitsuji Sampei

Optimization-based Distributed Safety Control with Applications to Collision Avoidance for Mobile Robotic Networks

基于优化的分布式安全控制及其在移动机器人网络防撞中的应用

• DOI: 10.1080/01691864.2022.2119886
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 2
• 作者: Tatsuya Ibuki; Taichi Hirano; Riku Funada; Mitsuji Sampei
• 通讯作者: Mitsuji Sampei

Collision Avoidance for Elliptical Agents with Control Barrier Function Utilizing Supporting Lines

利用支撑线控制屏障函数的椭圆智能体碰撞避免

• 发表时间: 2022
• 作者: Koju Nishimoto; Riku Funada; Tatsuya Ibuki; Mitsuji Sampei
• 通讯作者: Mitsuji Sampei