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Quadratic Programming Approach to Flight Envelope Protection Using Control Barrier Functions

Autenrieb, Johannes (2025) Quadratic Programming Approach to Flight Envelope Protection Using Control Barrier Functions. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Seiten 2622-2633. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA). doi: 10.2514/1.G009203. ISSN 1533-3884.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Offizielle URL: https://doi.org/10.2514/1.G009203

Kurzfassung

Ensuring the safe operation of aerospace systems within their prescribed flight envelope is a fundamental requirement for modern flight control systems. Flight envelope protection (FEP) prevents violations of aerodynamic, structural, and performance constraints, mitigating risks such as stall, excessive loads, and loss of control. Conventional FEP approaches, such as reference clipping via saturation functions and model-based command filtering, impose constraints at the reference input level but often fail to account for closed-loop system dynamics, potentially leading to constraint violations during transients. This paper introduces a new approach to flight envelope protection by employing a quadratic-programming-based safety filter using control barrier functions to dynamically enforce flight envelope constraints while preserving control performance. Unlike traditional reference filtering methods, the proposed control barrier function-based safety filter actively ensures forward invariance of the safe flight envelope set while seamlessly integrating with existing control architectures. The framework is implemented in a nonlinear missile flight control system and evaluated in a simulated environment. The results demonstrate its ability to prevent constraint violations while minimizing conservatism, offering a robust alternative to existing flight envelope protection methodologies.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/222663/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Quadratic Programming Approach to Flight Envelope Protection Using Control Barrier Functions
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Autenrieb, JohannesJohannes.Autenrieb (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:15 September 2025
Erschienen in:Journal of Guidance, Control, and Dynamics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.2514/1.G009203
Seitenbereich:Seiten 2622-2633
Verlag:American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA)
ISSN:1533-3884
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Flight envelope protection, control barrier functions (CBFs), safety-critical control, nonlinear flight control, constraint enforcement
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Komponenten und Systeme
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L CS - Komponenten und Systeme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Flugzeugsysteme, L - Unbemannte Flugsysteme
Standort: Braunschweig
Institute & Einrichtungen:Institut für Flugsystemtechnik > Flugdynamik und Simulation
Hinterlegt von: Autenrieb, Johannes
Hinterlegt am:18 Feb 2026 15:07
Letzte Änderung:18 Feb 2026 15:07

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