Most of the existing path-following navigation algorithms cannot guarantee global convergence to desired paths or enable following self-intersected desired paths due to the existence of singular points where navigation algorithms return unreliable or even no solutions. One typical example arises in vector-field guided path-following (VF-PF) navigation algorithms. These algorithms are based on a vector field, and the singular points are exactly where the vector field diminishes. In this paper, we show that it is mathematically impossible for conventional VF-PF algorithms to achieve global convergence to desired paths that are self-intersected or even just simple closed (precisely, homeomorphic to the unit circle). Motivated by this new impossibility result, we propose a novel method to transform self-intersected or simple closed desired paths to non-self-intersected and unbounded (precisely, homeomorphic to the real line) counterparts in a higher-dimensional space. Corresponding to this new desired path, we construct a singularity-free guiding vector field on a higher-dimensional space. The integral curves of this new guiding vector field is thus exploited to enable global convergence to the higher-dimensional desired path, and therefore the projection of the integral curves on a lower-dimensional subspace converge to the physical (lower-dimensional) desired path. Rigorous theoretical analysis is carried out for the theoretical results using dynamical systems theory. In addition, we show both by theoretical analysis and numerical simulations that our proposed method is an extension combining conventional VF-PF algorithms and trajectory tracking algorithms. Finally, to show the practical value of our proposed approach for complex engineering systems, we conduct outdoor experiments with a fixed-wing airplane in windy environment to follow both 2D and 3D desired paths.


翻译:大部分现有的遵循路径的导航算法无法保证全球趋同到理想路径, 也无法保证全球趋同到自相交错路径, 或者能够遵循自相交错路径, 因为存在导航算法返回不可靠甚至没有解决方案的奇点。 一个典型的例子出现在矢量- 向导路径跟踪( VF- PF) 导航算法中。 这些算法基于矢量字段, 而奇点恰恰是矢量字段缩小的地方。 在本文中, 我们显示常规的VF- PF 算法不可能在数学上实现全球趋同到自相交错甚至简单封闭的预点( 精确地、 原地向单位圆圈返回) 。 基于这一新不可能的结果, 我们提出了一个全新的向向外方向或简单封闭的向导路径转换自相解路径( VF- PF ) 。 新的向导路径的直径向轨法, 我们的直径向直径直径直路径直路径直径直径直的直路徑和直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径向上。

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