In this paper, we propose a new class of Control Barrier Functions (CBFs) for Unmanned Ground Vehicles (UGVs) that help avoid collisions with kinematic (non-zero velocity) obstacles. While the current forms of CBFs have been successful in guaranteeing safety/collision avoidance with static obstacles, extensions for the dynamic case have seen limited success. Moreover, with the UGV models like the unicycle or the bicycle, applications of existing CBFs have been conservative in terms of control, i.e., steering/thrust control has not been possible under certain scenarios. Drawing inspiration from the classical use of collision cones for obstacle avoidance in trajectory planning, we introduce its novel CBF formulation with theoretical guarantees on safety for both the unicycle and bicycle models. The main idea is to ensure that the velocity of the obstacle w.r.t. the vehicle is always pointing away from the vehicle. Accordingly, we construct a constraint that ensures that the velocity vector always avoids a cone of vectors pointing at the vehicle. The efficacy of this new control methodology is experimentally verified on the Copernicus mobile robot. We further extend it to self-driving cars in the form of bicycle models and demonstrate collision avoidance under various scenarios in the CARLA simulator.


翻译:在本文中,我们建议为无人驾驶地面车辆(UGVs)建立一个新的控制屏障功能(CBFs)类别,帮助避免与运动(非零速度)障碍碰撞。虽然目前形式的CBFs成功地保证了安全/阴道的避免,并设置了静态障碍,但动态案例的延伸则取得了有限的成功。此外,由于UGV模式,如单车或自行车,现有CBFs的应用在控制方面是保守的,即在特定情况下,指导/入侵控制是不可能做到的。在轨迹规划中,从典型地使用碰撞锥体来避免障碍的灵感中汲取灵感,我们采用了其新型的CBFS配制,对单车和自行车模型的安全提供理论保障。主要的想法是确保车辆的高速总是远离车辆。因此,我们设置了一种限制,确保速度矢量总是避免了向车辆标注的矢量。在CopernicA型汽车中,这种新的控制方法的功效是实验性地在Copernical A型汽车避免了各种机器人的碰撞。

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