A Comprehensive Review on Control Barrier Functions: Uncertainty Handling, Design Optimization, and Feasibility Analysis

计算机科学 钥匙(锁) 约束(计算机辅助设计) 风险分析(工程) 相互依存 功能(生物学) 软件部署 极限(数学) 控制(管理) 系统工程 鲁棒控制 控制系统 系统动力学 工程类 控制工程 运筹学 根本原因 可靠性工程
作者
Shanshan Zhao,Zheng Yan,Tingwen Huang,Shiping Wen
出处
期刊:IEEE transactions on cybernetics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:56 (4): 2061-2069
标识
DOI:10.1109/tcyb.2025.3633800
摘要

Control barrier functions (CBFs) provide a rigorous framework for enforcing safety in control-affine systems by ensuring system states remain within predefined safe sets. However, practical deployment faces fundamental challenges that limit real-world applicability. This review analyzes recent progress in CBF methodologies across three interconnected domains: uncertainty handling, structural optimization, and feasibility assurance. For uncertainty, we distinguish strategies tailored to unknown dynamics, modeling discrepancies, and dynamic environments, spanning robust theoretical methods and learning-based approaches. For structural design, we examine class- $\mathcal {K}$ function selection, parameter tuning, and advanced modifications that jointly address conservatism and feasibility. For feasibility, we identify the root causes of CBF-QP infeasibility and survey solution strategies, including constraint relaxation, structural redesign, and mathematical guarantees. By synthesizing these directions into a unified framework, this review highlights key interdependencies and outlines future research opportunities for advancing CBF-based safety-critical control in robotics, autonomous systems, and beyond.
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