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Control Barrier Functions and Input-to-State Safety With Application to Automated Vehicles

控制(管理) 国家(计算机科学) 计算机科学 控制工程 工程类 人工智能 程序设计语言
作者
Anıl Alan,Andrew J. Taylor,Chaozhe R. He,Aaron D. Ames,Gábor Orosz
出处
期刊:IEEE Transactions on Control Systems and Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:31 (6): 2744-2759 被引量:44
标识
DOI:10.1109/tcst.2023.3286090
摘要

Balancing safety and performance is one of the predominant challenges in modern control system design. Moreover, it is crucial to robustly ensure safety without inducing unnecessary conservativeness that degrades performance. In this work, we present a constructive approach for safety-critical control synthesis via control barrier functions (CBFs). By filtering a hand-designed controller via a CBF, we are able to attain performant behavior while providing rigorous guarantees of safety. In the face of disturbances, robust safety and performance are simultaneously achieved through the notion of input-to-state safety (ISSf). We take a tutorial approach by developing the CBF-design methodology in parallel with an inverted pendulum example, making the challenges and sensitivities in the design process concrete. To establish the capability of the proposed approach, we consider the practical setting of safety-critical design via CBFs for a connected automated vehicle (CAV) in the form of a class-8 truck without a trailer. Through experimentation, we see the impact of unmodeled disturbances in the truck's actuation system on the safety guarantees provided by CBFs. We characterize these disturbances and using ISSf, produce a robust controller that achieves safety without conceding performance. We evaluate our design both in simulation, and for the first time on an automotive system, experimentally.

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