用于安全关键的四旋翼飞行的节律性参考信号的相位保持障碍投影

《Scientific Reports》：Phase-preserving barrier projection of rhythmic references for safety-critical quadrotor flight

　　

摘要

诸如轨道检测和周边扫描等重复性的四旋翼任务需要一个相位保持一致的参考信号，同时必须避开障碍物并遵守地理围栏的限制。如果直接将不安全的周期参考信号发送给下游的安全过滤器，该过滤器将在每个周期内修正相同的危险指令。本文提出了一种相位保持的参考信号投影方法：在每个采样时刻，将标称振荡器的速度投影到可接受的安全方向集上，同时一个内部时钟以预设的速率进行计时。然后，由执行器约束的安全过滤器跟踪这个投影后的参考信号，并通过残差加速度裕度来应对风速影响、质量不匹配以及内环实现误差。分析证明了在连续时间下该安全方向集的不变性，量化了两个松弛参数的作用，得到了一个鲁棒的高阶植物安全控制结果，并阐述了一个连接这两层系统的跟踪管条件。完整的刚体模拟使用了几何姿态环和0.01秒的主采样周期。在标准障碍物场景下，所提出的控制器能够保持0.269米的最小间隙，保持全部10.44弧度的相位超前，并将植物层面的综合干预减少45.1\%——从仅使用鲁棒过滤时的21.855米/秒减少到11.995米/秒。此外还报告了基于预测控制、调速器控制以及可达性/跟踪管理论的基线情况，同时考虑了风速影响和质量不匹配问题。这些数值结果适用于测试的操作范围，并不代表硬体飞行或全局样本间安全的断言。