我们在存在障碍的情况下研究人类机器人协作运输任务。每个代理的任务是将刚性对象携带到共同的目标位置，同时避免障碍并满足其他代理的合规性和驱动约束。人类和机器人不具有对环境的当地观点。当人类政策根据机器人对环境的看法而安全，或者积极领导任务时，可以协助机器人。使用估计的人类输入，机器人通过解决有限的时间最佳控制问题来计划运输对象的轨迹。机器人上的传感器测量人类应用的输入。然后，机器人适当地应用了人类应用的加权组合及其自身计划的投入，其中根据机器人对人类投入的估计的信任价值选择权重。这允许在整个任务中对机器人进行动态领导者的角色调整。此外，在信任的价值较低的情况下，如果机器人遇到了人类可能未知的任何障碍，它会触发安全的停止政策，保持系统的安全性并发出对人类意图所需的更改。通过实验结果，我们证明了所提出的方法的功效。

This paper presents a safety-critical locomotion control framework for quadrupedal robots. Our goal is to enable quadrupedal robots to safely navigate in cluttered environments. To tackle this, we introduce exponential Discrete Control Barrier Functions (exponential DCBFs) with duality-based obstacle avoidance constraints into a Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) with Whole-Body Control (WBC) framework for quadrupedal locomotion control. This enables us to use polytopes to describe the shapes of the robot and obstacles for collision avoidance while doing locomotion control of quadrupedal robots. Compared to most prior work, especially using CBFs, that utilize spherical and conservative approximation for obstacle avoidance, this work demonstrates a quadrupedal robot autonomously and safely navigating through very tight spaces in the real world. (Our open-source code is available at github.com/HybridRobotics/quadruped_nmpc_dcbf_duality, and the video is available at youtu.be/p1gSQjwXm1Q.)

许多机器人任务需要高维传感器，如相机和激光雷达，以导航复杂的环境，但是在这些传感器周围开发认可的安全反馈控制器仍然是一个具有挑战性的公开问题，特别是在涉及学习时的开放问题。以前的作品通过分离感知和控制子系统并对感知子系统的能力做出强烈的假设来证明了感知反馈控制器的安全性。在这项工作中，我们介绍了一种新的启用学习的感知反馈混合控制器，在那里我们使用控制屏障函数（CBF）和控制Lyapunov函数（CLF）来显示全堆叠感知反馈控制器的安全性和活力。我们使用神经网络直接在机器人的观察空间中学习全堆栈系统的CBF和CLF，而无需承担基于感知的状态估计器。我们的混合控制器称为基因座（使用切换启用了学习的观察反馈控制），可以安全地导航未知的环境，始终如一地达到其目标，并将安全性安全地概括为培训数据集之外的环境。我们在模拟和硬件中展示了实验中的轨迹，在那里它使用LIDAR传感器的反馈成功地导航变化环境。

This paper proposes a novel controller framework that provides trajectory tracking for an Aerial Manipulator (AM) while ensuring the safe operation of the system under unknown bounded disturbances. The AM considered here is a 2-DOF (degrees-of-freedom) manipulator rigidly attached to a UAV. Our proposed controller structure follows the conventional inner loop PID control for attitude dynamics and an outer loop controller for tracking a reference trajectory. The outer loop control is based on the Model Predictive Control (MPC) with constraints derived using the Barrier Lyapunov Function (BLF) for the safe operation of the AM. BLF-based constraints are proposed for two objectives, viz. 1) To avoid the AM from colliding with static obstacles like a rectangular wall, and 2) To maintain the end effector of the manipulator within the desired workspace. The proposed BLF ensures that the above-mentioned objectives are satisfied even in the presence of unknown bounded disturbances. The capabilities of the proposed controller are demonstrated through high-fidelity non-linear simulations with parameters derived from a real laboratory scale AM. We compare the performance of our controller with other state-of-the-art MPC controllers for AM.

由于围绕机器人的未来轨迹的不确定性，安全导航是多机器人系统中的一个基本挑战，这些轨迹彼此相互障碍。在这项工作中，我们提出了一种原则性的数据驱动方法，每个机器人都反复解决一个有限的地平线优化问题，但要避免碰撞限制，后者被表达为代理商和代理之间距离的分布稳健的条件价值风险（CVAR）多面体障碍物几何形状。具体而言，需要CVAR约束来保留所有与从执行过程中收集的预测误差样本构成的经验分布的所有分布。该方法的一般性使我们能够在分布式和去中心化设置中普遍强加的假设下出现的预测错误鲁棒性。我们通过利用凸面和Minmax二元性结果来得出这类约束的有限尺寸近似值。在凉亭平台中实现的多人导航设置中说明了所提出的方法的有效性。

在腿的运动中重新规划对于追踪所需的用户速度，在适应地形并拒绝外部干扰的同时至关重要。在这项工作中，我们提出并测试了实验中的实时非线性模型预测控制（NMPC），用于腿部机器人，以实现各种地形上的动态运动。我们引入了一种基于移动性的标准来定义NMPC成本，增强了二次机器人的运动，同时最大化腿部移动性并提高对地形特征的适应。我们的NMPC基于实时迭代方案，使我们能够以25美元的价格重新计划在线，\ Mathrm {Hz} $ 2 $ 2 $ 2美元的预测地平线。我们使用在质量框架中心中定义的单个刚体动态模型，以提高计算效率。在仿真中，测试NMPC以横穿一组不同尺寸的托盘，走进V形烟囱，并在崎岖的地形上招揽。在真实实验中，我们展示了我们的NMPC与移动功能的有效性，使IIT为87美元\，\ Mathrm {kg} $四分之一的机器人HIQ，以实现平坦地形上的全方位步行，横穿静态托盘，并适应在散步期间重新定位托盘。

可以指导人们并避免各种障碍的四足动物指导机器人，有可能以相当低的成本拥有更多视力障碍的人拥有。在本文中，我们提出了一个具有基于舒适概念的新型指导机器人系统。我们设计了一个包含弹性绳索和细绳的皮带，并使用电动机调节绳子的长度以确保舒适度。我们使用基于力的人类运动模型来计划人类所经历的力量。之后，力的方向和大小分别由机器人的运动和电动机的旋转控制。这使得人类可以安全，更舒适地引导到复杂环境中的目标位置。该系统已部署在Unitree Laikago四倍平台上，并在现实情况下进行了验证。

稳定性和安全性是成功部署自动控制系统的关键特性。作为一个激励示例，请考虑在复杂的环境中自动移动机器人导航。概括到不同操作条件的控制设计需要系统动力学模型，鲁棒性建模错误以及对安全\ newzl {约束}的满意度，例如避免碰撞。本文开发了一个神经普通微分方程网络，以从轨迹数据中学习哈密顿系统的动态。学识渊博的哈密顿模型用于合成基于能量的被动性控制器，并分析其\ emph {鲁棒性}，以在学习模型及其\ emph {Safety}中对环境施加的约束。考虑到系统的所需参考路径，我们使用虚拟参考调查员扩展了设计，以实现跟踪控制。州长国家是一个调节点，沿参考路径移动，平衡系统能级，模型不确定性界限以及违反安全性的距离，以确保稳健性和安全性。我们的哈密顿动力学学习和跟踪控制技术在\修订后的{模拟的己谐和四型机器人}在混乱的3D环境中导航。

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。

本文解决了机器人的问题，可以协作将电缆带到指定的目标位置，同时避免实时碰撞。引入电缆（与刚性链接相反）使机器人团队能够通过电缆的松弛/拉特开关更改其内在尺寸，从而使机器人团队能够穿越狭窄的空间。但是，这是一个具有挑战性的问题，因为混合模式开关以及多个机器人和负载之间的动态耦合。以前解决此类问题的尝试是离线执行的，并且不考虑避免在线障碍。在本文中，我们介绍了一个级联的计划方案，并采用平行的集中式轨迹优化，涉及混合模式开关。我们还每个机器人开发了一组分散的计划者，这使我们可以解决在线协作负载操作问题的方法。我们开发并演示了第一个能够移动有线电视载荷的首个协作自治框架之一，该框架太重了，无法通过一个机器人移动，通过狭窄空间，具有实时反馈和实验中的反应性计划。

Motion planning is challenging for autonomous systems in multi-obstacle environments due to nonconvex collision avoidance constraints. Directly applying numerical solvers to these nonconvex formulations fails to exploit the constraint structures, resulting in excessive computation time. In this paper, we present an accelerated collision-free motion planner, namely regularized dual alternating direction method of multipliers (RDADMM or RDA for short), for the model predictive control (MPC) based motion planning problem. The proposed RDA addresses nonconvex motion planning via solving a smooth biconvex reformulation via duality and allows the collision avoidance constraints to be computed in parallel for each obstacle to reduce computation time significantly. We validate the performance of the RDA planner through path-tracking experiments with car-like robots in simulation and real world setting. Experimental results show that the proposed methods can generate smooth collision-free trajectories with less computation time compared with other benchmarks and perform robustly in cluttered environments.

许多应用需要机器人通过具有大障碍的地形，例如自动驾驶，搜救和救援和外星探索。虽然机器人在避免稀疏障碍时已经出色，但它们仍然在扭转杂乱的障碍物中挣扎。灵感来自蟑螂的使用和响应具有不同方式的障碍物的障碍物，以跨越不同刚度的草地梁，在这里，我们开发了一种能够进行环境力传感的简约机器人的物理模型，向前推进两个光束以模拟和理解杂乱障碍的遍历。像刚度和偏转位置一样的光束属性可以从测量的嘈杂的梁接触力估计，其富力地随着感测时间而增加。使用这些估计，模型预测了使用势能障碍定义的遍历定义的成本，并使用它来规划和控制机器人以产生并跟踪以最小成本横穿轨迹。在遇到僵硬的光束时，模拟机器人从更昂贵的音高模式转换为更昂贵的滚动模式到遍历。当遇到脆弱的光束时，它选择推动横梁，而不是避免光束的能量成本。最后，我们开发了一个物理机器人并证明了估计方法的有用性。

In this paper a global reactive motion planning framework for robotic manipulators in complex dynamic environments is presented. In particular, the circular field predictions (CFP) planner from Becker et al. (2021) is extended to ensure obstacle avoidance of the whole structure of a robotic manipulator. Towards this end, a motion planning framework is developed that leverages global information about promising avoidance directions from arbitrary configuration space motion planners, resulting in improved global trajectories while reactively avoiding dynamic obstacles and decreasing the required computational power. The resulting motion planning framework is tested in multiple simulations with complex and dynamic obstacles and demonstrates great potential compared to existing motion planning approaches.

本文介绍了用于自动赛车的多层运动计划和控制架构，能够避免静态障碍，进行主动超越并达到75 $ m/s $以上的速度。使用的脱机全局轨迹生成和在线模型预测控制器高度基于车辆的优化和动态模型，在该模型中，在基本的Pacejka Magic公式的扩展版本中，轮胎和弯曲效果表示。使用多体汽车运动库鉴定并验证了所提出的单轨模型，这些模型允许正确模拟车辆动力学，在丢失实际实验数据时尤其有用。调整了控制器的基本正规化项和约束，以降低输入的变化速率，同时确保可接受的速度和路径跟踪。运动计划策略由一个基于Fren \'ET框架的计划者组成，该计划者考虑了Kalman过滤器产生的对手的预测。策划者选择了无碰撞路径和速度轮廓要在3秒钟的视野中跟踪，以实现不同的目标，例如跟随和超车。该提议的解决方案已应用于达拉拉AV-21赛车，并在椭圆形赛道上进行了测试，可实现高达25 $ m/s^{2} $的横向加速度。

开发了一个领导者追随者系统，用于合作运输。据我们所知，这是一个不需要互联通信的第一工作，并且可以实时修改有效载荷的参考轨迹，以便它可以应用于动态变化的环境。为了在无通信条件下实时跟踪修改的参考轨迹，引导跟随系统被认为是非文展系统，其中开发了控制器以实现有效载荷的渐近跟踪。为了消除安装力传感器的需要，开发了UKFS（Unscented Kalman滤波器）以估计领导者和追随者所施加的力量。进行稳定性分析以证明闭环系统的跟踪误差。仿真结果表明跟踪控制器的良好性能。实验表明，领导者的控制器和追随者可以在现实世界中工作，但是跟踪误差受到限制空间中气流的干扰的影响。

在本文中，我们提出了一种在动态环境中进行多动能计划的新方法。环境被表示为时间占用网格，它赋予了所有障碍的当前以及未来/预测状态。该方法基于以前的安全走廊生成和多旋转计划的工作，以避免移动和静态障碍。它首先生成了目标的全球途径，该途径没有考虑到环境的动态方面。然后，我们使用时间安全走廊来生成机器人将来可以在离散瞬间进入的安全空间。最后，我们在优化公式中使用了时间安全走廊，该公式说明了多电流动力学以及所有障碍，以生成由多旋翼控制器执行的轨迹。我们在模拟中显示了我们方法的性能。

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.

本文提出了一种有效且安全的方法，可以避免基于LiDAR的静态和动态障碍。首先，点云用于生成实时的本地网格映射以进行障碍物检测。然后，障碍物由DBSCAN算法聚集，并用最小边界椭圆（MBE）包围。此外，进行数据关联是为了使每个MBE与当前帧中的障碍匹配。考虑到MBE作为观察，Kalman滤波器（KF）用于估计和预测障碍物的运动状态。通过这种方式，可以将远期时间域中每个障碍物的轨迹作为一组椭圆化。由于MBE的不确定性，参数化椭圆形的半肢和半尺寸轴被扩展以确保安全性。我们扩展了传统的控制屏障功能（CBF），并提出动态控制屏障功能（D-CBF）。我们将D-CBF与模型预测控制（MPC）结合起来，以实施安全至关重要的动态障碍。进行了模拟和实际场景中的实验，以验证我们算法的有效性。源代码发布以供社区参考。

在本文中，我们提出了一种反应性约束导航方案，并避免了无人驾驶汽车（UAV）的嵌入式障碍物，以便在障碍物密集的环境中实现导航。拟议的导航体系结构基于非线性模型预测控制（NMPC），并利用板载2D激光雷达来检测障碍物并在线转换环境的关键几何信息为NMPC的参数约束，以限制可用位置空间的可用位置空间无人机。本文还重点介绍了所提出的反应导航方案的现实实施和实验验证，并将其应用于多个具有挑战性的实验室实验中，我们还与相关的反应性障碍物避免方法进行了比较。提出的方法中使用的求解器是优化引擎（开放）和近端平均牛顿进行最佳控制（PANOC）算法，其中采用了惩罚方法来正确考虑导航任务期间的障碍和输入约束。拟议的新颖方案允许快速解决方案，同时使用有限的车载计算能力，这是无人机的整体闭环性能的必需功能，并在多个实时场景中应用。内置障碍物避免和实时适用性的结合使所提出的反应性约束导航方案成为无人机的优雅框架，能够执行快速的非线性控制，本地路径计划和避免障碍物，所有框架都嵌入了控制层中。

模型预测控制（MPC）表明了控制诸如腿机器人等复杂系统的巨大成功。然而，在关闭循环时，在每个控制周期解决的有限范围最佳控制问题（OCP）的性能和可行性不再保证。这是由于模型差异，低级控制器，不确定性和传感器噪声的影响。为了解决这些问题，我们提出了一种修改版本，该版本的标准MPC方法用于带有活力的腿运动（弱向不变性）保证。在这种方法中，代替向问题添加（保守）终端约束，我们建议使用投影到在每个控制周期的OCP中的可行性内核中投影的测量状态。此外，我们使用过去的实验数据来找到最佳成本重量，该重量测量性能，约束满足鲁棒性或稳定性（不变性）的组合。这些可解释的成本衡量了稳健性和性能之间的贸易。为此目的，我们使用贝叶斯优化（BO）系统地设计实验，有助于有效地收集数据以了解导致强大性能的成本函数。我们的模拟结果具有不同的现实干扰（即外部推动，未铭出的执行器动态和计算延迟）表明了我们为人形机器人创造了强大的控制器的方法的有效性。