当我们转向越来越复杂的网络物理系统（CPS）时，需要新方法来实时计划有效的状态轨迹。在本文中，我们提出了一种方法来显着降低对一类CPS解决最佳控制问题的复杂性。我们利用差分平稳度的性质来简化Euler-拉格朗日方程，这简化消除了一般情况下出现的数值不稳定性。我们还提出了一种明确的微分方程，描述了最佳状态轨迹的演变，我们扩展了我们的结果，以考虑无约束和受限制的情况。此外，我们通过在具有障碍物的环境中生成双积分代理的最佳轨迹来证明我们的方法的性能。在仿真中，与现有的基于焊接的最佳控制库相比，我们的方法显示了30％的成本降低，并且计算速度提高了几乎3倍。

As robotic systems continue to address emerging issues in areas such as logistics, mobility, manufacturing, and disaster response, it is increasingly important to rapidly generate safe and energy-efficient trajectories. In this article, we present a new approach to plan energy-optimal trajectories through cluttered environments containing polygonal obstacles. In particular, we develop a method to quickly generate optimal trajectories for a double-integrator system, and we show that optimal path planning reduces to an integer program. To find an efficient solution, we present a distance-informed prefix search to efficiently generate optimal trajectories for a large class of environments. We demonstrate that our approach, while matching the performance of RRT* and Probabilistic Road Maps in terms of path length, outperforms both in terms of energy cost and computational time by up to an order of magnitude. We also demonstrate that our approach yields implementable trajectories in an experiment with a Crazyflie quadrotor.

在过去的二十年中，对机器人羊群的研究受到了极大的关注。在本文中，我们提出了一种约束驱动的控制算法，该算法可最大程度地减少单个试剂的能耗并产生新兴的V形成。随着代理之间的分散相互作用的形成出现，我们的方法对自发添加或将代理去除为系统是强大的。首先，我们提出了一个分析模型，用于在固定翼无人机后面的尾巴上洗涤，并得出了尾随无人机以最大化其旅行耐力的最佳空气速度。接下来，我们证明，简单地在最佳空速上飞行将永远不会导致新兴的羊群行为，并且我们提出了一种新的分散的“ Anseroid”行为，从而产生出现的V形成。我们用约束驱动的控制算法编码这些行为，该算法最小化每个无人机的机车能力。最后，我们证明，在我们提出的控制法律下，以近似V或eChelon形成初始化的无人机将融合，我们证明了这种出现在模拟和与Crazyflie四肢旋转机队的实验中实时发生。

通常，可以将最佳运动计划作为本地和全球执行。在这样的计划中，支持本地或全球计划技术的选择主要取决于环境条件是动态的还是静态的。因此，最适当的选择是与全球计划一起使用本地计划或本地计划。当设计最佳运动计划是本地或全球的时，要记住的关键指标是执行时间，渐近最优性，对动态障碍的快速反应。与其他方法相比，这种计划方法可以更有效地解决上述目标指标，例如路径计划，然后进行平滑。因此，这项研究的最重要目标是分析相关文献，以了解运动计划，特别轨迹计划，问题，当应用于实时生成最佳轨迹的多局部航空车（MAV），影响力（MAV）时如何提出问题。列出的指标。作为研究的结果，轨迹计划问题被分解为一组子问题，详细列出了解决每个问题的方法列表。随后，总结了2010年至2022年最突出的结果，并以时间表的形式呈现。

通过行业对非线性退化的地平线控制（RHC）策略的广泛采用导致了30多年的激烈研究工作，以为这些方法提供稳定性保证。但是，当前的理论保证要求可以将每个（通常是非covex）计划问题解决为（近似）全球最优性，这是基于衍生的基于衍生的局部优化方法的不现实要求，通常用于RHC的实际实现。本文迈出了第一步，当将内部计划问题解决到一阶固定点时，但不一定是全球最佳选择，可以理解非线性RHC的稳定性保证。特别注意反馈可线化的系统，并提供了正面和负面结果的混合物。我们确定，在某些强大条件下，一阶解决方案可实现RHC稳定可线化的系统。至关重要的是，这种保证要求将其应用于计划问题的状态成本在某种意义上与系统的全球几何形状兼容，并且一个简单的反示例证明了这种情况的必要性。这些结果突出了需要重新考虑基于优化的控制背景下全局几何形状的作用。

分列已被利用作为用于最小化能量消耗的车辆方法。在本文中，我们提出了一个限制驱动的最佳控制框架，从而产生了在开放式运输系统中运行的连接和自动车辆的紧急排行行为。我们的方法将最近的洞察于约束驱动的最佳控制与高速公路设置中车辆之间的物理空气动力学相互作用相结合。结果是一系列描述，当排中是适当的策略时，以及产生紧急排行行为的描述性最佳控制法。最后，我们在模拟中展示了这些属性。

本文提出了一个基于抽样的运动计划者，该计划将RRT*（迅速探索随机树星）集成到预计运动原始图的数据库中，以减轻其计算负载，并允许在动态或部分已知的环境中进行运动计划。该数据库是通过在某些网格空间中考虑一组初始状态和最终状态对来构建的，并确定每个对与系统动力学和约束兼容的最佳轨迹，同时最小化成本。通过在网格状态空间中提取样品并在数据库中选择将其连接到现有节点的数据库中的最佳无障碍运动原始性，将节点逐渐添加到RRT*算法中可行轨迹树中的节点。如果可以通过无障碍的运动原始的原始较低的成本从新的采样状态达到一些节点，则树将重新接线。因此，运动计划的计算更密集的部分被移至数据库构建的初步离线阶段（以网格造成的某些性能退化为代价。可以对网格分辨率进行调整，以便在数据库的最优性和大小之间妥协。由于网格分辨率为零，并且采样状态的数量增长到无穷大，因此规划器被证明是渐近的最佳选择。

顺序凸编程（SCP）最近已获得了解决最佳控制问题的有效方法，并已成功应用于多个不同的领域。但是，SCP的理论分析受到了相对有限的关注，并且通常仅限于离散时间配方。在本文中，我们介绍了对连续时间最佳控制问题的相当一般类别的SCP程序的统一分析。除了在连续时间环境中保证收敛的推导外，我们的分析还揭示了两个新的数值和实际见解。首先，我们展示了如何更轻松地考虑歧管型约束，这是对机械系统的最佳控制的定义特征。其次，我们展示了如何通过从间接最佳控制中注入技术来利用我们的理论分析来加速基于SCP的最佳控制方法。

收缩理论是一种分析工具，用于研究以均匀的正面矩阵定义的收缩度量下的非自主（即，时变）非线性系统的差动动力学，其存在导致增量指数的必要和充分表征多种溶液轨迹彼此相互稳定性的稳定性。通过使用平方差分长度作为Lyapunov样功能，其非线性稳定性分析向下沸腾以找到满足以表达为线性矩阵不等式的稳定条件的合适的收缩度量，表明可以在众所周知的线性系统之间绘制许多平行线非线性系统理论与收缩理论。此外，收缩理论利用了与比较引理结合使用的指数稳定性的优越稳健性。这产生了基于神经网络的控制和估计方案的急需安全性和稳定性保证，而不借助使用均匀渐近稳定性的更涉及的输入到状态稳定性方法。这种独特的特征允许通过凸优化来系统构造收缩度量，从而获得了由于扰动和学习误差而在外部扰动的时变的目标轨迹和解决方案轨迹之间的距离上的明确指数界限。因此，本文的目的是介绍了收缩理论的课程概述及其在确定性和随机系统的非线性稳定性分析中的优点，重点导出了各种基于学习和数据驱动的自动控制方法的正式鲁棒性和稳定性保证。特别是，我们提供了使用深神经网络寻找收缩指标和相关控制和估计法的技术的详细审查。

这项工作为时间延迟系统的安全关键控制提供了一个理论框架。控制屏障功能的理论可为无延迟系统提供正式安全保证，扩展到具有状态延迟的系统。引入了控制屏障功能的概念，以实现正式的安全保证，该概念通过在无限尺寸状态空间中定义的安全集的向前不变性。所提出的框架能够在动态和安全状态下处理多个延迟和分布式延迟，并对可证明安全性的控制输入提供了仿射约束。该约束可以纳入优化问题，以合成最佳和可证明的安全控制器。该方法的适用性通过数值仿真示例证明。

本文着重于影响弹性的移动机器人的碰撞运动计划和控制的新兴范式转移，并开发了一个统一的层次结构框架，用于在未知和部分观察的杂物空间中导航。在较低级别上，我们开发了一种变形恢复控制和轨迹重新启动策略，该策略处理可能在本地运行时发生的碰撞。低级系统会积极检测碰撞（通过内部内置的移动机器人上的嵌入式霍尔效应传感器），使机器人能够从其内部恢复，并在本地调整后影响后的轨迹。然后，在高层，我们提出了一种基于搜索的计划算法，以确定如何最好地利用潜在的碰撞来改善某些指标，例如控制能量和计算时间。我们的方法建立在A*带有跳跃点的基础上。我们生成了一种新颖的启发式功能，并进行了碰撞检查和调整技术，从而使A*算法通过利用和利用可能的碰撞来更快地收敛到达目标。通过将全局A*算法和局部变形恢复和重新融合策略以及该框架的各个组件相结合而生成的整体分层框架在模拟和实验中都经过了广泛的测试。一项消融研究借鉴了与基于搜索的最先进的避免碰撞计划者（用于整体框架）的链接，以及基于搜索的避免碰撞和基于采样的碰撞 - 碰撞 - 全球规划师（对于更高的较高的碰撞 - 等级）。结果证明了我们的方法在未知环境中具有碰撞的运动计划和控制的功效，在2D中运行的一类撞击弹性机器人具有孤立的障碍物。

We address the theoretical and practical problems related to the trajectory generation and tracking control of tail-sitter UAVs. Theoretically, we focus on the differential flatness property with full exploitation of actual UAV aerodynamic models, which lays a foundation for generating dynamically feasible trajectory and achieving high-performance tracking control. We have found that a tail-sitter is differentially flat with accurate aerodynamic models within the entire flight envelope, by specifying coordinate flight condition and choosing the vehicle position as the flat output. This fundamental property allows us to fully exploit the high-fidelity aerodynamic models in the trajectory planning and tracking control to achieve accurate tail-sitter flights. Particularly, an optimization-based trajectory planner for tail-sitters is proposed to design high-quality, smooth trajectories with consideration of kinodynamic constraints, singularity-free constraints and actuator saturation. The planned trajectory of flat output is transformed to state trajectory in real-time with consideration of wind in environments. To track the state trajectory, a global, singularity-free, and minimally-parameterized on-manifold MPC is developed, which fully leverages the accurate aerodynamic model to achieve high-accuracy trajectory tracking within the whole flight envelope. The effectiveness of the proposed framework is demonstrated through extensive real-world experiments in both indoor and outdoor field tests, including agile SE(3) flight through consecutive narrow windows requiring specific attitude and with speed up to 10m/s, typical tail-sitter maneuvers (transition, level flight and loiter) with speed up to 20m/s, and extremely aggressive aerobatic maneuvers (Wingover, Loop, Vertical Eight and Cuban Eight) with acceleration up to 2.5g.

We introduce a class of first-order methods for smooth constrained optimization that are based on an analogy to non-smooth dynamical systems. Two distinctive features of our approach are that (i) projections or optimizations over the entire feasible set are avoided, in stark contrast to projected gradient methods or the Frank-Wolfe method, and (ii) iterates are allowed to become infeasible, which differs from active set or feasible direction methods, where the descent motion stops as soon as a new constraint is encountered. The resulting algorithmic procedure is simple to implement even when constraints are nonlinear, and is suitable for large-scale constrained optimization problems in which the feasible set fails to have a simple structure. The key underlying idea is that constraints are expressed in terms of velocities instead of positions, which has the algorithmic consequence that optimizations over feasible sets at each iteration are replaced with optimizations over local, sparse convex approximations. In particular, this means that at each iteration only constraints that are violated are taken into account. The result is a simplified suite of algorithms and an expanded range of possible applications in machine learning.

In this work, we propose a collision-free source seeking control framework for unicycle robots traversing an unknown cluttered environment. In this framework, the obstacle avoidance is guided by the control barrier functions (CBF) embedded in quadratic programming and the source seeking control relies solely on the use of on-board sensors that measure signal strength of the source. To tackle the mixed relative degree of the CBF, we proposed three different CBF, namely the zeroing control barrier functions (ZCBF), exponential control barrier functions (ECBF), and reciprocal control barrier functions (RCBF) that can directly be integrated with our recent gradient-ascent source-seeking control law. We provide rigorous analysis of the three different methods and show the efficacy of the approaches in simulations using Matlab, as well as, using a realistic dynamic environment with moving obstacles in Gazebo/ROS.

Learning-enabled control systems have demonstrated impressive empirical performance on challenging control problems in robotics, but this performance comes at the cost of reduced transparency and lack of guarantees on the safety or stability of the learned controllers. In recent years, new techniques have emerged to provide these guarantees by learning certificates alongside control policies -- these certificates provide concise, data-driven proofs that guarantee the safety and stability of the learned control system. These methods not only allow the user to verify the safety of a learned controller but also provide supervision during training, allowing safety and stability requirements to influence the training process itself. In this paper, we provide a comprehensive survey of this rapidly developing field of certificate learning. We hope that this paper will serve as an accessible introduction to the theory and practice of certificate learning, both to those who wish to apply these tools to practical robotics problems and to those who wish to dive more deeply into the theory of learning for control.

数据科学和机器学习的进展已在非线性动力学系统的建模和模拟方面取得了重大改进。如今，可以准确预测复杂系统，例如天气，疾病模型或股市。预测方法通常被宣传为对控制有用，但是由于系统的复杂性，较大的数据集的需求以及增加的建模工作，这些细节经常没有得到解答。换句话说，自治系统的替代建模比控制系统要容易得多。在本文中，我们介绍了Quasimodo框架（量化模拟模拟模拟 - 优化），以将任意预测模型转换为控制系统，从而使数据驱动的替代模型的巨大进步可访问控制系统。我们的主要贡献是，我们通过自动化动力学（产生混合企业控制问题）来贸易控制效率，以获取任意，即使用的自主替代建模技术。然后，我们通过利用混合成员优化的最新结果来恢复原始问题的复杂性。 Quasimodo的优点是数据要求在控制维度方面的线性增加，性能保证仅依赖于使用的预测模型的准确性，而控制理论中的知识知识要求很少来解决复杂的控制问题。

作为自动驾驶系统的核心部分，运动计划已受到学术界和行业的广泛关注。但是，由于非体力学动力学，尤其是在存在非结构化的环境和动态障碍的情况下，没有能够有效的轨迹计划解决方案能够为空间周期关节优化。为了弥合差距，我们提出了一种多功能和实时轨迹优化方法，该方法可以在任意约束下使用完整的车辆模型生成高质量的可行轨迹。通过利用类似汽车的机器人的差异平坦性能，我们使用平坦的输出来分析所有可行性约束，以简化轨迹计划问题。此外，通过全尺寸多边形实现避免障碍物，以产生较少的保守轨迹，并具有安全保证，尤其是在紧密约束的空间中。我们通过最先进的方法介绍了全面的基准测试，这证明了所提出的方法在效率和轨迹质量方面的重要性。现实世界实验验证了我们算法的实用性。我们将发布我们的代码作为开源软件包，目的是参考研究社区。

初步任务设计需要高效且准确地近似于低推力的聚合轨迹，这可能通常是三维的并且涉及多次转。本文开发了一种用于分析近似的使用立方样条函数的新成形方法，其显示了最优性和计算效率的优点。在假设预先指定立方样条函数的边界条件和段数，全部满足边界状态和转移时间的约束约束。然后根据是否具有自由优化参数，配制两种特定形状。没有自由参数的形状提供了有效且稳健的估计，而另一个则允许随后的优化来满足诸如推力幅度上的约束的额外约束。所提出的方法与粒子群优化算法结合的应用通过两个典型的行星际的间行序列任务讨论，即，从地球到小行星狄俄尼索斯的倾斜的多转轨迹和样本返回的多串轨迹。仿真示例表明，在为全球搜索的良好估计和为随后的轨迹优化产生合适的初始猜测方面，所提出的方法优于现有方法。

这项研究提出了用于完善神经网络参数或进入连续时间动态系统的控制功能的增量校正方法，以提高解决方案精度，以满足对性能输出变量放置的临时点约束。所提出的方法是将其参数基线围绕基线值的动力学线性化，然后求解将扰动轨迹传输到特定时间点（即临时点）处所需的纠正输入。根据要调整的决策变量的类型，参数校正和控制功能校正方法将开发出来。这些增量校正方法可以用作补偿实时应用中预训练的神经网络的预测错误的手段，在实时应用中，必须在规定的时间点上高精度预测动态系统的准确性。在这方面，在线更新方法可用于增强有限摩托控制的整体靶向准确性，但使用神经政策受到点约束。数值示例证明了拟议方法在火星上的动力下降问题中的应用中的有效性。

非线性自适应控制理论中的一个关键假设是系统的不确定性可以在一组已知基本函数的线性跨度中表示。虽然该假设导致有效的算法，但它将应用限制为非常特定的系统类别。我们介绍一种新的非参数自适应算法，其在参数上学习无限尺寸密度，以取消再现内核希尔伯特空间中的未知干扰。令人惊讶的是，所产生的控制输入承认，尽管其底层无限尺寸结构，但是尽管它的潜在无限尺寸结构实现了其实施的分析表达。虽然这种自适应输入具有丰富和富有敏感性的 - 例如，传统的线性参数化 - 其计算复杂性随时间线性增长，使其比其参数对应力相对较高。利用随机傅里叶特征的理论，我们提供了一种有效的随机实现，该实现恢复了经典参数方法的复杂性，同时可透明地保留非参数输入的表征性。特别地，我们的显式范围仅取决于系统的基础参数，允许我们所提出的算法有效地缩放到高维系统。作为该方法的说明，我们展示了随机近似算法学习由牛顿重力交互的十点批量组成的60维系统的预测模型的能力。