Energy-Optimal Planning of Waypoint-Based UAV Missions — Does Minimum Distance Mean Minimum Energy?

要約

マルチコプター無人航空機は、現実世界に広く応用されている一般的なタイプの航空機ロボットです。
ロボットのエネルギー効率はそのパフォーマンスの重要な側面であり、実行可能なミッションの範囲と期間を決定します。
この論文では、マルチコプターのエネルギー最適化計画について研究します。これは、3D 空間でのミッションでエネルギー消費を最小限に抑えたウェイポイントの最適な順序を見つけることを目的としています。
この研究は、マルチコプターの第一原理エネルギーダイナミクスを捉える以前に開発されたモデルに基づいて実行されます。
ほとんどの場合 (最大 95%) で、エネルギー最適化計画の解決策は、総距離を最小化する従来の巡回セールスマン問題の解決策とは異なることがわかりました。
ミッション内のウェイポイントの範囲と数に応じて、その差は 14.9% に達する可能性があり、平均は 1.6% ～ 3.3%、90 パーセンタイルは 3.7% ～ 6.5% になります。
次に、基礎となる飛行エネルギー力学と相関させることによって、最小エネルギー次数の主要な特徴を特定し、説明しました。
距離を最小限に抑えるのではなく、垂直方向と水平方向の動きを調整して空力効率を促進することが、エネルギー消費を最適化する鍵であることが示されています。

要約(オリジナル)

Multirotor unmanned aerial vehicle is a prevailing type of aerial robots with wide real-world applications. The energy efficiency of the robot is a critical aspect of its performance, determining the range and duration of the missions that can be performed. This paper studies the energy-optimal planning of the multirotor, which aims at finding the optimal ordering of waypoints with the minimum energy consumption for missions in 3D space. The study is performed based on a previously developed model capturing first-principle energy dynamics of the multirotor. We found that in majority of the cases (up to 95%) the solutions of the energy-optimal planning are different from those of the traditional traveling salesman problem which minimizes the total distance. The difference can be as high as 14.9%, with the average at 1.6%-3.3% and 90th percentile at 3.7%-6.5% depending on the range and number of waypoints in the mission. We then identified and explained the key features of the minimum-energy order by correlating to the underlying flight energy dynamics. It is shown that instead of minimizing the distance, coordination of vertical and horizontal motion to promote aerodynamic efficiency is the key to optimizing energy consumption.

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