Corridor MPC for Multi-Agent Inspection of Orbiting Structures
作者: Gregorio Marchesini, Pedro Roque, Dimos V. Dimarogonas
分类: eess.SY
发布日期: 2024-02-27
备注: Paper accepted at Conference on Decision and Control 2023 (CDC)
💡 一句话要点
提出走廊模型预测控制以解决多智能体轨道结构检查问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 模型预测控制 多智能体系统 高阶控制 轨道检查 安全性 协作控制 空间应用
📋 核心要点
- 现有的轨道结构检查方法在多智能体协作和安全性方面存在不足，难以保证智能体在复杂环境中的安全运行。
- 本研究提出了一种基于高阶控制障碍函数的走廊模型预测控制方案，旨在确保智能体在参考轨迹附近的安全性和有效性。
- 通过计算机仿真验证了所设计控制器在国际空间站检查场景中的有效性，显示出良好的安全性和协作性能。
📝 摘要（中文）
在本研究中，我们提出了一种扩展的走廊模型预测控制（MPC）方案，适用于高阶和分布式系统，并应用于轨道检查。为此，我们利用高阶控制障碍函数（HOCBF）约束，作为保持每个智能体在其参考轨迹安全走廊内的有效控制方法。我们通过数值测试验证了设计的MPC方案的递归可行性，同时对经典HOCBF约束定义进行了适当修改，以确保在采样和连续时间下的安全性。设计的控制器通过计算机仿真在国际空间站的实际检查场景中得到了验证。
🔬 方法详解
问题定义：本论文旨在解决多智能体在轨道结构检查中面临的安全性和协作性挑战。现有方法在复杂环境中难以保证智能体的安全运行，尤其是在动态变化的轨道环境中。
核心思路：论文提出了一种基于高阶控制障碍函数（HOCBF）的走廊模型预测控制（MPC）方案，通过定义安全走廊来确保智能体在参考轨迹附近的安全性，从而提升多智能体系统的协作能力。
技术框架：整体架构包括高阶控制障碍函数的定义、走廊模型预测控制的设计以及数值仿真验证。主要模块包括状态预测、约束处理和控制输入生成。
关键创新：本研究的关键创新在于将高阶控制障碍函数与走廊模型预测控制相结合，确保了在采样和连续时间下的安全性，显著提升了多智能体系统的安全性和灵活性。
关键设计：在设计中，HOCBF约束的定义经过适当修改，以适应不同的时间采样需求，确保在动态环境中智能体的安全性。同时，控制器的参数设置经过优化，以提高系统的响应速度和稳定性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所设计的控制器在国际空间站的检查场景中表现出优越的性能，成功保持了智能体在安全走廊内的运行，且在多次仿真中均未发生碰撞，显示出较高的安全性和可靠性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括航天器的轨道检查、空间站维护以及其他需要多智能体协作的复杂任务。通过确保智能体在动态环境中的安全性，该方法能够显著提升轨道结构检查的效率和安全性，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
In this work, we propose an extension of the previously introduced Corridor Model Predictive Control scheme for high-order and distributed systems, with an application for on-orbit inspection. To this end, we leverage high order control barrier function (HOCBF) constraints as a suitable control approach to maintain each agent in the formation within a safe corridor from its reference trajectory. The recursive feasibility of the designed MPC scheme is tested numerically, while suitable modifications of the classical HOCBF constraint definition are introduced such that safety is guaranteed both in sampled and continuous time. The designed controller is validated through computer simulation in a realistic inspection scenario of the International Space Station.