Generating 6-D Trajectories for Omnidirectional Multirotor Aerial Vehicles in Cluttered Environments

要約

全方向性マルチローター航空機 (OMAV) は、完全に作動するシステムとして、従来の作動が不十分な MAV よりも柔軟な操縦性と、乱雑な環境での積極的な飛行において優れた利点を備えています。
構成空間の次元が高いため、設計された軌道生成アルゴリズムを効率的にすることは困難です。
この論文は、乱雑な環境において OMAV の安全な飛行を実現することを目的としています。
既存の静的障害物を考慮して、OMAVの6次元 $SE(3)$ 軌道を生成するための効率的な最適化ベースのフレームワークを提案する。
運動力学的制約と、一連の交差する凸多面体で表される 3D 衝突のない領域を考慮すると、提案された方法は最終的に安全で動的に実行可能な 6-D 軌道を生成します。
まず、$SO(3)$ 多様体に固有の制約を排除するために、立体投影を使用して車両の姿勢を自由な 3D ベクトルにパラメータ化し、完全な $SE(3)$ 軌道は時間のかかる 6 次元多項式として表現されます。
固有の制約なしで。
車体フレームに取り付けられた直方体として車両形状をモデル化し、全身衝突評価を実現します。
次に、原点軌道生成問題を制約付き最適化問題として定式化します。
元の制約付き問題は、最終的に、効率的に解決できる制約のない問題に変換されます。
提案されたフレームワークの性能を検証するために、ティルトローターヘキサローター航空機に基づくシミュレーションと実世界の実験が実行されます。

要約(オリジナル)

As fully-actuated systems, omnidirectional multirotor aerial vehicles (OMAVs) have more flexible maneuverability and advantages in aggressive flight in cluttered environments than traditional underactuated MAVs. %Due to the high dimensionality of configuration space, making the designed trajectory generation algorithm efficient is challenging. This paper aims to achieve safe flight of OMAVs in cluttered environments. Considering existing static obstacles, an efficient optimization-based framework is proposed to generate 6-D $SE(3)$ trajectories for OMAVs. Given the kinodynamic constraints and the 3D collision-free region represented by a series of intersecting convex polyhedra, the proposed method finally generates a safe and dynamically feasible 6-D trajectory. First, we parameterize the vehicle’s attitude into a free 3D vector using stereographic projection to eliminate the constraints inherent in the $SO(3)$ manifold, while the complete $SE(3)$ trajectory is represented as a 6-D polynomial in time without inherent constraints. The vehicle’s shape is modeled as a cuboid attached to the body frame to achieve whole-body collision evaluation. Then, we formulate the origin trajectory generation problem as a constrained optimization problem. The original constrained problem is finally transformed into an unconstrained one that can be solved efficiently. To verify the proposed framework’s performance, simulations and real-world experiments based on a tilt-rotor hexarotor aerial vehicle are carried out.

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