Reachability-Based Safe-Start Regions for Approach to a Tumbling Target with Rotating LOS Constraints
作者: Omer Burak Iskender, Keck Voon Ling, Wee Seng Lim, Erick Lansard
分类: eess.SY, physics.space-ph
发布日期: 2026-07-02
备注: 10 pages, 3 figures, 3 tables. Preprint of paper IAC-26,C1,3,6,x110087 submitted to the 77th International Astronautical Congress (IAC 2026), Antalya, Türkiye, 5-9 October 2026
期刊: Proceedings of the 77th International Astronautical Congress (IAC 2026), Antalya, Türkiye, 2026
💡 一句话要点
提出基于可达性的安全起始区域以解决旋转目标接近问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 可达性分析 安全起始区域 旋转目标 闭环控制 自主导航
📋 核心要点
- 现有方法在处理翻滚目标时面临旋转视线约束下的可达性问题，导致接近控制复杂且不稳定。
- 论文提出了一种基于可达性的引导架构，通过构建安全起始区域来确保追踪器能够有效接近目标。
- 实验结果显示，所提方法在计算速度和可行性预测上显著优于传统的Hamilton-Jacobi方法，提升了闭环控制的效率。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种基于可达性的引导架构，用于自主接近一个翻滚的、不合作的目标，且在旋转视线（LOS）对接走廊下进行。LOS可接受集随目标机体框架旋转，导致追踪器相对坐标中的时变多面体约束。通过两个保守标准构建安全起始区域：方向性约束侵蚀和同步范围界限。闭环引导使用递归前瞻MPC控制器，结合Clohessy-Wiltshire-Hill（CWH）预测动力学和明确的LOS走廊约束。实验表明，所提出的闭合形式标准在速度上比Hamilton-Jacobi可达性快250倍，同时在500个案例中预测闭环可行性的精确度为0.80，召回率为0.91。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决在旋转视线约束下，如何安全有效地接近翻滚目标的问题。现有方法在处理此类动态环境时，往往面临可达性和控制精度不足的挑战。
核心思路：论文提出了一种基于可达性的引导架构，构建安全起始区域以确保追踪器能够在旋转约束下稳定接近目标。通过方向性约束侵蚀和同步范围界限来定义安全区域，确保在接近过程中能够有效抵消目标的旋转速度。
技术框架：整体架构包括安全起始区域的构建、闭环引导控制和真值传播。使用递归前瞻MPC控制器，结合Clohessy-Wiltshire-Hill（CWH）预测动力学，确保在多面体约束下进行有效控制。
关键创新：最重要的技术创新在于提出了一种闭合形式的安全起始区域构建方法，其计算速度比传统的Hamilton-Jacobi方法快250倍，同时在可行性预测上保持较高的精度。
关键设计：在设计中，采用了方向性约束侵蚀和同步范围界限作为安全起始区域的构建标准，确保追踪器能够在旋转环境中有效控制。此外，使用了精确的CWH状态转移矩阵进行真值传播，避免了参考混合或状态投影的使用。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的闭合形式标准在速度上比Hamilton-Jacobi可达性快250倍，且在500个案例中，预测闭环可行性的精确度达到0.80，召回率为0.91，显示出显著的性能提升。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括无人机自主导航、太空任务中的目标捕获以及机器人与动态环境的交互。通过提高接近不合作目标的安全性和效率，能够在复杂环境中实现更高水平的自主性，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
This paper presents a reachability-aware guidance architecture for autonomous approach to a tumbling, uncooperative target under a rotating line-of-sight (LOS) docking corridor. The LOS admissible set rotates with the target body frame, producing time-varying polyhedral constraints in the chaser's relative coordinates. A safe-start region is constructed via two conservative criteria: (i) directional per-constraint erosion, the margin consumed by rotation-induced drift before thrust can arrest it, and (ii) a synchronization range bound $r < 2a_{\max}/ω_t^2$ ensuring the chaser can cancel the apparent rotational velocity without overshooting the hold point. Closed-loop guidance uses a receding-horizon MPC controller with Clohessy-Wiltshire-Hill (CWH) prediction dynamics and explicit LOS corridor constraints in the quadratic program. Truth propagation uses the exact discrete CWH state-transition matrix with sub-stepping, so feasibility claims are physically honest: no reference blending or state projection is applied. A three-regime tracking law manages the transition from long-range inertial approach to body-frame co-rotation and synchronized hold. The analytical safe-start region is benchmarked against four standard reachability engines (backward and forward polytopic reachable sets, Hamilton-Jacobi level sets, and closed-loop Monte Carlo): the closed-form criteria are 250x faster than Hamilton-Jacobi reachability while predicting closed-loop feasibility with precision 0.80 and recall 0.91 on a 500-case sweep. The residual 6% false-positive rate and the IoU gap against Hamilton-Jacobi quantify a structural property: the synchronization set (reach and co-rotate) is a strict subset of the positional reachable set, the gap widening with tumble rate. The analytical bound is thus a sound inner certificate for onboard go/no-go decisions where Hamilton-Jacobi is prohibitively expensive.