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Lyapunov-Based Control Barrier Functions for Real-Time Safe Navigation in Three-Dimension Complex Environments

计算机科学 李雅普诺夫函数 趋同(经济学) 二次规划 集合(抽象数据类型) 概括性 构造(python库) 非线性系统 膨胀的 指数稳定性 理论(学习稳定性) 控制工程 二次方程 航程(航空) 序列二次规划 控制理论(社会学) 钥匙(锁) 不变(物理) 控制系统 功能(生物学) 领域(数学) 数学优化 复杂系统 运动控制 系统安全 Lyapunov稳定性 软件 国家(计算机科学) 工程类 控制(管理) LTI系统理论
作者
Fuwei Zhang,Zhiwei Hou
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (1): 874-881
标识
DOI:10.1109/lra.2025.3634911
摘要

In the field of safe navigation for mobile robots, control barrier functions (CBFs) have garnered significant attention due to their ability to transform complex safety constraints into real-time solvable optimization problems. In this letter, we propose a novel Lyapunov-based CBF framework. It offers the following key advantages: (1) Using a single Control Lyapunov Function (CLF), this method synthesizes spatially shifted CBFs to construct an expansive safe invariant set in obstacle-dense environments. (2) The framework is capable of incorporating existing approaches for constructing quadratic CLF, making it applicable to a wide range of complex nonlinear systems and enhancing its generality and extensibility. (3) It enables real-time synthesis of CBFs, and ensures safety in large-scale 3D environments through efficient CBF-based quadratic programming (CBF-QP). (4) The method ensures safety while inheriting the stability properties of the CLF, allowing the asymptotic convergence of the system state to equilibrium, thus unifying safety and motion stability. To validate efficacy, we rigorously tested the framework in both simulations and hardware experiments.
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