Finite-time Lyapunov exponents (FTLEs) provide a powerful approach to compute time-varying analogs of invariant manifolds in unsteady fluid flow fields. These manifolds are useful to visualize the transport mechanisms of passive tracers advecting with the flow. However, many vehicles and mobile sensors are not passive, but are instead actuated according to some intelligent trajectory planning or control law; for example, model predictive control and reinforcement learning are often used to design energy-efficient trajectories in a dynamically changing background flow. In this work, we investigate the use of FTLE on such controlled agents to gain insight into optimal transport routes for navigation in known unsteady flows. We find that these controlled FTLE (cFTLE) coherent structures separate the flow field into different regions with similar costs of transport to the goal location. These separatrices are functions of the planning algorithm's hyper-parameters, such as the optimization time horizon and the cost of actuation. Computing the invariant sets and manifolds of active agent dynamics in dynamic flow fields is useful in the context of robust motion control, hyperparameter tuning, and determining safe and collision-free trajectories for autonomous systems. Moreover, these cFTLE structures provide insight into effective deployment locations for mobile agents with actuation and energy constraints to traverse the ocean or atmosphere.


翻译:短时 Lyapunov 指数(FTLE)为计算非定常流场中的不变流形提供了强有力的方法。这些流形有助于可视化被流场带动的被动示踪器的传输机制。然而,许多车辆和移动传感器并非被动的,而是根据某些智能轨迹规划或控制律进行驱动,例如模型预测控制和强化学习常用于设计在动态背景流中的能量高效轨迹。在这项工作中,我们研究了在受控制的主体上使用 FTLE 以获得洞察力,了解在已知非定常流中的导航的最佳传输路线。我们发现这些受控 FTLE(cFTLE)相干结构将流场分成了不同区域,其与目标位置的传输成本相似。这些分离区带有规划算法的超参数,例如优化时间范围和执行成本。计算动态流场中主动主体动力学的不变集和流形在鲁棒运动控制、超参数调整以及确定自主系统的安全并无碰撞轨迹方面具有用处。此外,这些 cFTLE 结构还提供了有关移动主体部署位置的洞见,这些位置存在驱动和能量限制以遍历海洋或大气。

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