Multi-goal Rapidly Exploring Random Tree with Safety and Dynamic Constraints for UAV Cooperative Path Planning

要約

協同経路計画は、複雑なミッションに複数の無人航空機（UAV）を使用することに対する需要の増加により、その重要性を獲得しています。
この作業は、UAVのグループが同時に複数の目標位置に到達するためのパスを生成するために迅速に探索するランダムツリー（RRT）を拡張するMultiRRTという名前の新しいアルゴリズムを導入することにより、問題に対処します。
最初にUAVのダイナミクス制約を導き出し、問題の定式化に含めます。
その後、MultiRRTは、パス検索プロセス中の協同組合の要件と安全な制約を考慮して開発されます。
このアルゴリズムは、生成されたパスの実現可能性と最適性を確保するために、ノード削減とベジエ補間の2つの新しいメカニズムを備えています。
重要なことに、補間された経路は、障害物とUAVによって課される安全性とダイナミクスの制約を満たすことが証明されています。
提案されたアプローチのパフォーマンスを評価するために、多くのシミュレーション、比較、および実験が実施されています。
結果は、MultIRRTが複数のUAVの衝突のないパスを生成して、Theta-RRT、FN-RRT、RRT*、RRT*-SMARTなどの最先端のRRTバリアントよりも、パスの長さと滑らかさのメトリックが優れた目標を達成できることを示しています。
生成されたパスは、実際のUAVを使用した実際のフライトでもテストされ、協力タスクの妥当性を評価します。
アルゴリズムのソースコードは、https：//github.com/duynamrcv/multi-target_rrtで入手できます。

要約(オリジナル)

Cooperative path planning is gaining its importance due to the increasing demand on using multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) for complex missions. This work addresses the problem by introducing a new algorithm named MultiRRT that extends the rapidly exploring random tree (RRT) to generate paths for a group of UAVs to reach multiple goal locations at the same time. We first derive the dynamics constraint of the UAV and include it in the problem formulation. MultiRRT is then developed, taking into account the cooperative requirements and safe constraints during its path-searching process. The algorithm features two new mechanisms, node reduction and Bezier interpolation, to ensure the feasibility and optimality of the paths generated. Importantly, the interpolated paths are proven to meet the safety and dynamics constraints imposed by obstacles and the UAVs. A number of simulations, comparisons, and experiments have been conducted to evaluate the performance of the proposed approach. The results show that MultiRRT can generate collision-free paths for multiple UAVs to reach their goals with better scores in path length and smoothness metrics than state-of-the-art RRT variants including Theta-RRT, FN-RRT, RRT*, and RRT*-Smart. The generated paths are also tested in practical flights with real UAVs to evaluate their validity for cooperative tasks. The source code of the algorithm is available at https://github.com/duynamrcv/multi-target_RRT

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