Differential Flatness-based Fast Trajectory Planning for Fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles

要約

強力な非線形性と非栄養ダイナミクスのため、さまざまな一般的な軌道最適化方法が提示されているにもかかわらず、比較的複雑な固定翼UAVダイナミクスの効率的な計算と物理的実現可能性を保証できるものはほとんどありません。
この問題を目指して、このペーパーでは、固定翼UAV（DFTO-FW）の差別的な平坦性ベースの軌跡最適化方法を調査します。
カスタマイズされた軌道表現は、差動フラット特性分析と多項式パラメーター化を通じて提示され、複雑なダイナミクスを解くことの重い計算負担を回避するために等式制約を排除します。
統合パフォーマンスコストの設計と分析勾配の導出により、元の軌道最適化は、効率をさらに改善するために直線的な時間の複雑さを伴う軽量で制約のない勾配分析的最適化に転写されます。
シミュレーション実験は、DFTO-FWの優れた効率を示しています。これは、ランダムに生成された障害物環境で固定翼のUAV軌跡を生成するために、他の競合他社に対して1秒のCPU時間（パーソナルデスクトップ上）を数桁かかります。

要約(オリジナル)

Due to the strong nonlinearity and nonholonomic dynamics, despite the various general trajectory optimization methods presented, few of them can guarantee efficient computation and physical feasibility for relatively complicated fixed-wing UAV dynamics. Aiming at this issue, this paper investigates a differential flatness-based trajectory optimization method for fixed-wing UAVs (DFTO-FW). The customized trajectory representation is presented through differential flat characteristics analysis and polynomial parameterization, eliminating equality constraints to avoid the heavy computational burdens of solving complex dynamics. Through the design of integral performance costs and derivation of analytical gradients, the original trajectory optimization is transcribed into a lightweight, unconstrained, gradient-analytical optimization with linear time complexity to improve efficiency further. The simulation experiments illustrate the superior efficiency of the DFTO-FW, which takes sub-second CPU time (on a personal desktop) against other competitors by orders of magnitude to generate fixed-wing UAV trajectories in randomly generated obstacle environments.

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