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计算机科学 > 机器人技术

arXiv:2506.23129 (cs)
[提交于 2025年6月29日 (v1) ,最后修订 2025年7月1日 (此版本, v2)]

标题: 基于平坦性的有限时域多无人机编队轨迹规划和方向感知的避撞跟踪

标题: Flatness-based Finite-Horizon Multi-UAV Formation Trajectory Planning and Directionally Aware Collision Avoidance Tracking

Authors:Hossein B. Jond, Logan Beaver, Martin Jiroušek, Naiemeh Ahmadlou, Veli Bakırcıoğlu, Martin Saska
摘要: 无人机(UAV)的最优无碰撞编队控制是一项挑战。最先进的最优控制方法通常依赖于对初始猜测敏感的数值方法。本文提出了一种创新的无碰撞有限时间编队控制方案,利用无人机动力学的微分平坦性,消除了对数值方法的需求。我们制定了一个有限时间最优控制问题,以规划可行初始状态的编队轨迹。编队轨迹规划中的这个最优控制问题涉及一个集体性能指标,以满足编队要求,实现相对位置和速度共识。通过应用庞特里亚金原理来解决这个问题。随后,解决了一个碰撞约束调节问题,以确保无碰撞跟踪规划的编队轨迹。跟踪问题结合了一种方向感知的避碰策略,优先避免前方路径和相对接近的无人机。对于侧面且相对接近的无人机则赋予较低的优先级,忽略位于后面且不在相对接近中的无人机。高保真仿真结果验证了所提出控制方案的有效性。
摘要: Optimal collision-free formation control of the unmanned aerial vehicle (UAV) is a challenge. The state-of-the-art optimal control approaches often rely on numerical methods sensitive to initial guesses. This paper presents an innovative collision-free finite-time formation control scheme for multiple UAVs leveraging the differential flatness of the UAV dynamics, eliminating the need for numerical methods. We formulate a finite-time optimal control problem to plan a formation trajectory for feasible initial states. This optimal control problem in formation trajectory planning involves a collective performance index to meet the formation requirements to achieve relative positions and velocity consensus. It is solved by applying Pontryagin's principle. Subsequently, a collision-constrained regulating problem is addressed to ensure collision-free tracking of the planned formation trajectory. The tracking problem incorporates a directionally aware collision avoidance strategy that prioritizes avoiding UAVs in the forward path and relative approach. It assigns lower priority to those on the sides with an oblique relative approach, disregarding UAVs behind and not in the relative approach. The high-fidelity simulation results validate the effectiveness of the proposed control scheme.
评论: 被《富兰克林学会杂志》接受
主题: 机器人技术 (cs.RO)
引用方式: arXiv:2506.23129 [cs.RO]
  (或者 arXiv:2506.23129v2 [cs.RO] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.23129
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Hossein B. Jond [查看电子邮件]
[v1] 星期日, 2025 年 6 月 29 日 07:45:03 UTC (1,076 KB)
[v2] 星期二, 2025 年 7 月 1 日 14:37:40 UTC (6,822 KB)
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