Energy-Optimized Planning in Non-Uniform Wind Fields with Fixed-Wing Aerial Vehicles

要約

固定翼小型無人航空機 (sUAV) は、長時間空中に留まり、長距離を移動する能力を備えています。
ただし、その運用は風の状況の影響を受けやすく、特に複雑な地形の地域では、強風によって航空機が運用限界を超えてしまう可能性があり、安全性への懸念が生じる可能性があります。
さらに、風は、特に風向や風速が好ましくない場所では、経路をたどるのに必要なエネルギーに影響を与えます。
安全性とエネルギー効率の両方を確保するには、風の情報をミッション計画に組み込むことが不可欠です。
この論文では、不均一な風力場でエネルギー効率の高い経路を計画するために、地面に対する運動学的な Dubins 航空機の経路を使用したサンプリング ベースのプランナーを提案します。
合成および現実世界の風力データを使用してプランナーの特性を研究し、そのパフォーマンスをベースラインのコストおよびパスの定式化と比較します。
エネルギー最適化プランナーは、移動時間の増加を犠牲にしてでも、上昇気流を効果的に利用してエネルギー消費を最小限に抑えることを実証します。
地上相対経路の定式化により、合理的な計算時間枠内で sUAV に搭載された安全な軌道の生成が容易になります。

要約(オリジナル)

Fixed-wing small uncrewed aerial vehicles (sUAVs) possess the capability to remain airborne for extended durations and traverse vast distances. However, their operation is susceptible to wind conditions, particularly in regions of complex terrain where high wind speeds may push the aircraft beyond its operational limitations, potentially raising safety concerns. Moreover, wind impacts the energy required to follow a path, especially in locations where the wind direction and speed are not favorable. Incorporating wind information into mission planning is essential to ensure both safety and energy efficiency. In this paper, we propose a sampling-based planner using the kinematic Dubins aircraft paths with respect to the ground, to plan energy-efficient paths in non-uniform wind fields. We study the planner characteristics with synthetic and real-world wind data and compare its performance against baseline cost and path formulations. We demonstrate that the energy-optimized planner effectively utilizes updrafts to minimize energy consumption, albeit at the expense of increased travel time. The ground-relative path formulation facilitates the generation of safe trajectories onboard sUAVs within reasonable computational timeframes.

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