Time-Optimal Path Planning in a Constant Wind for Uncrewed Aerial Vehicles using Dubins Set Classification

要約

旋回速度に制約のある UAV にとって、強風の中で時間的に最適な経路計画を立てることは、解決が難しい問題であり、配備と現場運用にとって重要です。
これまでの研究では、均一な風条件における最適な極値パスとして、直線と最大速度のターン セグメントで構成されるトロコイド パス セグメントが使用されてきました。
現在の方法では、候補となるすべてのトロコイド軌道タイプを反復し、時間的に最適なものを選択します。
ただし、この徹底的な検索は計算速度が遅くなる可能性があります。
この論文では、計算時間を短縮する方法を紹介します。
これは、空気相対フレームで問題を構成し、候補軌道のサブセット内で解を制限することにより、候補となるトロコイド軌道のタイプを減らす幾何学的なアプローチによってこれを実現します。
この方法は、バン-ストレート-バン軌道における既存の方法と比較して全体の計算量を 37.4% 削減し、他のオンボード プロセスの計算を解放し、多くのトロコイド パスを解く際に大幅な総計算量の削減につながる可能性があります。
グローバル パス プランナーのフレームワーク内で使用すると、より高速な状態展開により、より迅速に解を見つけたり、より高品質なパスを計算したりすることができます。
また、オープンソース コードベースを C++ パッケージとしてリリースします。

要約(オリジナル)

Time-optimal path planning in high winds for a turning rate constrained UAV is a challenging problem to solve and is important for deployment and field operations. Previous works have used trochoidal path segments, which consist of straight and maximum-rate turn segments, as optimal extremal paths in uniform wind conditions. Current methods iterate over all candidate trochoidal trajectory types and choose the time-optimal one; however, this exhaustive search can be computationally slow. In this paper we present a method to decrease the computation time. We achieve this via a geometric approach to reduce the candidate trochoidal trajectory types by framing the problem in the air-relative frame and bounding the solution within a subset of candidate trajectories. This method reduces overall computation by 37.4% compared to pre-existing methods in Bang-Straight-Bang trajectories, freeing up computation for other onboard processes and can lead to significant total computational reductions when solving many trochoidal paths. When used within the framework of a global path planner, faster state expansions help find solutions faster or compute higher-quality paths. We also release our open-source codebase as a C++ package.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google