This paper presents an integrated approach that combines trajectory optimization and Artificial Potential Field (APF) method for real-time optimal Unmanned Aerial Vehicle (UAV) trajectory planning and dynamic collision avoidance. A minimum-time trajectory optimization problem is formulated with initial and final positions as boundary conditions and collision avoidance as constraints. It is transcribed into a nonlinear programming problem using Chebyshev pseudospectral method. The state and control histories are approximated by using Lagrange polynomials and the collocation points are used to satisfy constraints. A novel sigmoid-type collision avoidance constraint is proposed to overcome the drawbacks of Lagrange polynomial approximation in pseudospectral methods that only guarantees inequality constraint satisfaction only at nodal points. Automatic differentiation of cost function and constraints is used to quickly determine their gradient and Jacobian, respectively. An APF method is used to update the optimal control inputs for guaranteeing collision avoidance. The trajectory optimization and APF method are implemented in a closed-loop fashion continuously, but in parallel at moderate and high frequencies, respectively. The initial guess for the optimization is provided based on the previous solution. The proposed approach is tested and validated through indoor experiments.


翻译:本文介绍了结合轨迹优化和人工潜力场(APF)实时最佳无人驾驶航空飞行器轨迹规划和动态避免碰撞的实时最佳轨迹优化和人工潜力场(APF)方法的综合方法。提出了最低时间轨迹优化问题,最初和最后的位置是边界条件,避免碰撞是制约因素。它被转录为使用Chebyshev伪光谱方法的非线性编程问题。使用Lagrange多球场和合用点来满足各种限制,从而可以大致了解状态和控制历史。提出了一种新型的类式避免碰撞限制,以克服伪光谱方法中拉格朗多球近似的缺点,只保证在节点对不平等的满意度进行保障。对成本功能和制约因素的自动区分分别用于快速确定其坡度和雅各比克仪。使用一种APF方法来更新保证避免碰撞的最佳控制投入。轨迹优化和APF方法以闭环方式持续实施,但同时在中高频频段实施。根据先前的解决方案对优化进行初步猜测。拟议的方法通过室内测试和验证。</s>

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