Planificación de Movimiento Distribuido para Múltiples Quadrotors en Presencia de Rafagas de Viento
Autores: Abichandani, Pramod; Lobo, Deepan; Muralidharan, Meghna; Runk, Nathan; McIntyre, William; Bucci, Donald; Benson, Hande
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Planificación de Movimiento Distribuido para Múltiples Quadrotors en Presencia de Rafagas de Viento
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Planificación de movimiento distribuido
Vehículo aéreo no tripulado de múltiples rotores
Programación no lineal entera mixta de horizonte en retroceso
Evitación de colisiones
Funciones de Barrera de Control
Perturbaciones del viento
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Este trabajo demuestra la planificación de movimiento distribuido para vehículos aéreos no tripulados de múltiples rotores en un entorno exterior con viento. La planificación del movimiento se modela como un problema de programación no lineal entera mixta de horizonte decreciente (RH-MINLP). Cada cuadricóptero resuelve un RH-MINLP para generar su perfil de velocidad óptima en el tiempo a lo largo de un camino de spline de mínimo salto, mientras satisface las restricciones sobre cinemática, dinámica, conectividad de comunicación y evitación de colisiones. La presencia de perturbaciones del viento hace que el planificador de movimiento regenere continuamente nuevos planes de movimiento, aumentando significativamente el tiempo de cálculo y posiblemente llevando a violaciones de seguridad. Las Funciones de Barrera de Control (CBFs) se utilizan para ayudar en la evitación de colisiones frente a perturbaciones del viento, aliviando la necesidad de recalcular continuamente los planes de movimiento. Los RH-MINLP se resuelven utilizando una combinación novedosa de métodos heurísticos y óptimos, a saber, Recocido Simulado y métodos de punto interior, respectivamente, para manejar variables discretas y no linealidades de manera factible en tiempo real. El marco se valida en simulaciones con hasta 50 cuadricópteros y experimentos de Hardware-in-the-loop (HWIL), seguidos de pruebas de campo al aire libre con hasta 6 cuadricópteros DJI M100. Los resultados demuestran (1) una planificación de movimiento rápida en línea para operaciones multi-cuadricóptero centradas en la comunicación al aire libre y (2) la utilidad de las CBFs para proporcionar planes de movimiento efectivos.
Descripción
Este trabajo demuestra la planificación de movimiento distribuido para vehículos aéreos no tripulados de múltiples rotores en un entorno exterior con viento. La planificación del movimiento se modela como un problema de programación no lineal entera mixta de horizonte decreciente (RH-MINLP). Cada cuadricóptero resuelve un RH-MINLP para generar su perfil de velocidad óptima en el tiempo a lo largo de un camino de spline de mínimo salto, mientras satisface las restricciones sobre cinemática, dinámica, conectividad de comunicación y evitación de colisiones. La presencia de perturbaciones del viento hace que el planificador de movimiento regenere continuamente nuevos planes de movimiento, aumentando significativamente el tiempo de cálculo y posiblemente llevando a violaciones de seguridad. Las Funciones de Barrera de Control (CBFs) se utilizan para ayudar en la evitación de colisiones frente a perturbaciones del viento, aliviando la necesidad de recalcular continuamente los planes de movimiento. Los RH-MINLP se resuelven utilizando una combinación novedosa de métodos heurísticos y óptimos, a saber, Recocido Simulado y métodos de punto interior, respectivamente, para manejar variables discretas y no linealidades de manera factible en tiempo real. El marco se valida en simulaciones con hasta 50 cuadricópteros y experimentos de Hardware-in-the-loop (HWIL), seguidos de pruebas de campo al aire libre con hasta 6 cuadricópteros DJI M100. Los resultados demuestran (1) una planificación de movimiento rápida en línea para operaciones multi-cuadricóptero centradas en la comunicación al aire libre y (2) la utilidad de las CBFs para proporcionar planes de movimiento efectivos.