Dynamic Control Barrier Function-based Model Predictive Control to Safety-Critical Obstacle-Avoidance of Mobile Robot

计算机科学 避障 控制理论(社会学) 模型预测控制 占用网格映射 障碍物 卡尔曼滤波器 弹道 参数化复杂度 移动机器人 算法 人工智能 控制(管理) 机器人 政治学 物理 法学 天文
作者
Zhuozhu Jian,Zihong Yan,Xuanang Lei,Zihong Lu,Bin Lan,Xueqian Wang,Bin Liang
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2209.08539
摘要

This paper presents an efficient and safe method to avoid static and dynamic obstacles based on LiDAR. First, point cloud is used to generate a real-time local grid map for obstacle detection. Then, obstacles are clustered by DBSCAN algorithm and enclosed with minimum bounding ellipses (MBEs). In addition, data association is conducted to match each MBE with the obstacle in the current frame. Considering MBE as an observation, Kalman filter (KF) is used to estimate and predict the motion state of the obstacle. In this way, the trajectory of each obstacle in the forward time domain can be parameterized as a set of ellipses. Due to the uncertainty of the MBE, the semi-major and semi-minor axes of the parameterized ellipse are extended to ensure safety. We extend the traditional Control Barrier Function (CBF) and propose Dynamic Control Barrier Function (D-CBF). We combine D-CBF with Model Predictive Control (MPC) to implement safety-critical dynamic obstacle avoidance. Experiments in simulated and real scenarios are conducted to verify the effectiveness of our algorithm. The source code is released for the reference of the community.
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