This paper presents a scalable online algorithm to generate safe and kinematically feasible trajectories for quadrotor swarms. Existing approaches rely on linearizing Euclidean distance-based collision constraints and on axis-wise decoupling of kinematic constraints to reduce the trajectory optimization problem for each quadrotor to a quadratic program (QP). This conservative approximation often fails to find a solution in cluttered environments. We present a novel alternative that handles collision constraints without linearization and kinematic constraints in their quadratic form while still retaining the QP form. We achieve this by reformulating the constraints in a polar form and applying an Alternating Minimization algorithm to the resulting problem. Through extensive simulation results, we demonstrate that, as compared to Sequential Convex Programming (SCP) baselines, our approach achieves on average a 72% improvement in success rate, a 36% reduction in mission time, and a 42 times faster per-agent computation time. We also show that collision constraints derived from discrete-time barrier functions (BF) can be incorporated, leading to different safety behaviours without significant computational overhead. Moreover, our optimizer outperforms the state-of-the-art optimal control solver ACADO in handling BF constraints with a 31 times faster per-agent computation time and a 44% reduction in mission time on average. We experimentally validated our approach on a Crazyflie quadrotor swarm of up to 12 quadrotors. The code with supplementary material and video are released for reference.


翻译:本文展示了一种可扩缩的在线算法, 以生成安全且运动上可行的二次曲线轨迹。 现有方法依赖于线性线性欧几里得远距离碰撞限制, 以及轴性运动性限制脱钩, 以减少每个二次钻探的轨迹优化问题到二次钻探程序( QP ) 。 这个保守的近差往往无法在封闭的环境中找到解决办法 。 我们提出了一个新的替代方法, 在不线性化和运动性限制的情况下处理碰撞限制, 并且保留 QP 格式 。 我们通过对极性限制进行重新配置, 并对由此产生的问题采用对等性最小化算法。 通过广泛的模拟结果, 我们证明, 与测序的 Convex 程序( SCP) 基线相比, 我们的方法平均能提高72%的成功率, 任务时间减少36%, 每试管计算时间速度为42倍。 我们还表明, 离散时间参照 QPF 参考( BB) 来重新配置这些限制, 最终将实验性最小性机运算出我们44 平时平时的 。</s>

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