Reachability-Based Safe-Start Regions for Approach to a Tumbling Target with Rotating LOS Constraints

📄 arXiv: 2607.02128 📥 PDF

作者: Omer Burak Iskender, Keck Voon Ling, Wee Seng Lim, Erick Lansard

分类: eess.SY

发布日期: 2026-07-05

💡 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 自主接近 旋转目标 闭环控制 MPC控制器 航天器对接 动态环境

📋 核心要点

  1. 现有方法在处理翻滚目标时，缺乏有效的可达性分析，导致接近策略不够安全和可靠。
  2. 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在旋转LOS约束下的安全接近。
  3. 实验结果表明，所提方法在闭合形式标准下比Hamilton-Jacobi可达性快250倍，且在500个案例中具有较高的精确度和召回率。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种考虑可达性的引导架构，用于在旋转视线（LOS）对接走廊下自主接近一个翻滚的、不合作的目标。LOS可接受集随目标体框架旋转，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：(i) 方向性约束侵蚀，考虑旋转引起的漂移在推力能够制止之前消耗的边际；(ii) 同步范围界限$r < 2a_{ ext{max}}/ heta_t^2$，确保追踪器能够在不超出保持点的情况下抵消表观旋转速度。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。通过与四种标准可达性引擎的基准测试，闭合形式标准在预测闭环可行性方面表现出显著优势。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决在旋转视线约束下，如何安全地接近一个翻滚的、不合作的目标。现有方法在处理此类动态环境时，往往缺乏有效的可达性分析，导致接近策略不够安全和可靠。

核心思路：论文的核心思路是构建一个安全起始区域，通过考虑旋转引起的漂移和同步范围界限，确保追踪器能够在不超出保持点的情况下有效接近目标。

技术框架：整体架构包括两个主要模块：安全起始区域的构建和闭环引导控制。安全起始区域通过方向性约束侵蚀和同步范围界限进行定义，而闭环引导则使用递归前瞻MPC控制器，结合CWH预测动力学和LOS约束。

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标准，该标准在计算上比传统的Hamilton-Jacobi方法快250倍，同时在预测闭环可行性方面表现出较高的精确度和召回率。

关键设计：关键设计包括方向性约束侵蚀的具体实现和同步范围界限的数学推导，确保在动态环境中追踪器的安全性和有效性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，所提方法在闭合形式标准下的计算速度比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航天器对接、无人机自主飞行以及其他需要在动态环境中进行安全接近的机器人系统。其实际价值在于提供了一种高效的安全决策工具，能够在复杂的动态场景中实现可靠的自主操作，未来可能推动相关领域的技术进步。

📄 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 $r < 2a_{\max}/\omega_t^2$ 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.