Skip to main content
CenXiv.org
此网站处于试运行阶段,支持我们!
我们衷心感谢所有贡献者的支持。
贡献
赞助
cenxiv logo > eess > arXiv:2507.13872

帮助 | 高级搜索

电气工程与系统科学 > 系统与控制

arXiv:2507.13872 (eess)
[提交于 2025年7月18日 ]

标题: 基于梯度的模型预测控制和控制障碍函数的安全且高效的控制器综合

标题: Safe and Performant Controller Synthesis using Gradient-based Model Predictive Control and Control Barrier Functions

Authors:Aditya Singh, Aastha Mishra, Manan Tayal, Shishir Kolathaya, Pushpak Jagtap
摘要: 确保性能和安全性对于在现实环境中运行的自主系统至关重要。 虽然安全过滤器如控制屏障函数(CBFs)通过实时修改名义控制器来强制约束,但当名义策略缺乏安全性意识时,它们可能会变得过于保守。 相反,通过动态规划求解状态约束最优控制问题(SC-OCPs)可以提供形式保证,但在高维系统中是难以处理的。 在本工作中,我们提出了一种新颖的两阶段框架,将基于梯度的模型预测控制(MPC)与基于CBF的安全过滤相结合,以协同优化安全性和性能。 在第一阶段,我们将安全约束作为成本函数中的惩罚项进行放松,从而通过基于梯度的方法实现快速优化。 这一步提高了可扩展性,并避免了与硬约束相关的可行性问题。 在第二阶段,我们使用基于CBF的二次规划(CBF-QP)对所得控制器进行修改,该方法以最小偏离参考值的方式强制执行硬性安全约束。 我们的方法生成的控制器既具有高性能,又能被证明是安全的。 我们在两个案例研究中验证了所提出的框架,展示了其在复杂、高维自主系统中合成可扩展、安全且高性能控制器的能力。
摘要: Ensuring both performance and safety is critical for autonomous systems operating in real-world environments. While safety filters such as Control Barrier Functions (CBFs) enforce constraints by modifying nominal controllers in real time, they can become overly conservative when the nominal policy lacks safety awareness. Conversely, solving State-Constrained Optimal Control Problems (SC-OCPs) via dynamic programming offers formal guarantees but is intractable in high-dimensional systems. In this work, we propose a novel two-stage framework that combines gradient-based Model Predictive Control (MPC) with CBF-based safety filtering for co-optimizing safety and performance. In the first stage, we relax safety constraints as penalties in the cost function, enabling fast optimization via gradient-based methods. This step improves scalability and avoids feasibility issues associated with hard constraints. In the second stage, we modify the resulting controller using a CBF-based Quadratic Program (CBF-QP), which enforces hard safety constraints with minimal deviation from the reference. Our approach yields controllers that are both performant and provably safe. We validate the proposed framework on two case studies, showcasing its ability to synthesize scalable, safe, and high-performance controllers for complex, high-dimensional autonomous systems.
评论: 6页,2图。前两位作者贡献相同
主题: 系统与控制 (eess.SY) ; 机器人技术 (cs.RO)
引用方式: arXiv:2507.13872 [eess.SY]
  (或者 arXiv:2507.13872v1 [eess.SY] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.13872
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

提交历史

来自: Aastha Mishra [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 7 月 18 日 12:50:47 UTC (206 KB)
全文链接:

获取论文:

    查看标题为《》的 PDF
  • 查看中文 PDF
  • 查看 PDF
  • HTML(实验性)
  • TeX 源代码
  • 其他格式
许可图标 查看许可
当前浏览上下文:
cs
< 上一篇   |   下一篇 >
新的 | 最近的 | 2025-07
切换浏览方式为:
cs.RO
cs.SY
eess
eess.SY

参考文献与引用

  • NASA ADS
  • 谷歌学术搜索
  • 语义学者
a 导出 BibTeX 引用 加载中...

BibTeX 格式的引用

×
数据由提供:

收藏

BibSonomy logo Reddit logo

文献和引用工具

文献资源探索 (什么是资源探索?)
连接的论文 (什么是连接的论文?)
Litmaps (什么是 Litmaps?)
scite 智能引用 (什么是智能引用?)

与本文相关的代码,数据和媒体

alphaXiv (什么是 alphaXiv?)
CatalyzeX 代码查找器 (什么是 CatalyzeX?)
DagsHub (什么是 DagsHub?)
Gotit.pub (什么是 GotitPub?)
Hugging Face (什么是 Huggingface?)
带有代码的论文 (什么是带有代码的论文?)
ScienceCast (什么是 ScienceCast?)

演示

复制 (什么是复制?)
Hugging Face Spaces (什么是 Spaces?)
TXYZ.AI (什么是 TXYZ.AI?)

推荐器和搜索工具

影响之花 (什么是影响之花?)
核心推荐器 (什么是核心?)
IArxiv 推荐器 (什么是 IArxiv?)
  • 作者
  • 地点
  • 机构
  • 主题

arXivLabs:与社区合作伙伴的实验项目

arXivLabs 是一个框架,允许合作伙伴直接在我们的网站上开发和分享新的 arXiv 特性。

与 arXivLabs 合作的个人和组织都接受了我们的价值观,即开放、社区、卓越和用户数据隐私。arXiv 承诺这些价值观,并且只与遵守这些价值观的合作伙伴合作。

有一个为 arXiv 社区增加价值的项目想法吗? 了解更多关于 arXivLabs 的信息.

这篇论文的哪些作者是支持者? | 禁用 MathJax (什么是 MathJax?)
  • 关于
  • 帮助
  • contact arXivClick here to contact arXiv 联系
  • 订阅 arXiv 邮件列表点击这里订阅 订阅
  • 版权
  • 隐私政策
  • 网络无障碍帮助
  • arXiv 运营状态
    通过...获取状态通知 email 或者 slack

京ICP备2025123034号