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:本文提出了一种可扩展的在线算法,用于生成四旋翼机群的安全且运动学可行轨迹。现有方法依赖于线性化基于欧氏距离的碰撞约束以及运动学约束的轴向解耦,从而将每架四旋翼的轨迹优化问题简化为二次规划(QP)。这种保守近似在杂乱环境中常常无法找到可行解。我们提出了一种新颖的替代方案,无需线性化即可处理碰撞约束,并在保留二次规划形式的同时处理其二次形式的运动学约束。我们通过将约束重新表示为极坐标形式,并对由此产生的问题应用交替最小化算法来实现这一目标。通过大量仿真结果,我们证明与基于序列凸规划(SCP)的基线方法相比,我们的方法在成功率上平均提升了72%,任务时间缩短了36%,且单架四旋翼的计算速度提高了42倍。我们还展示了可以融入基于离散时间障碍函数(BF)的碰撞约束,从而在不显著增加计算开销的情况下实现不同的安全行为。此外,我们的优化器在处理障碍函数约束方面优于最先进的最优控制求解器ACADO,平均单架四旋翼计算速度提高了31倍,任务时间减少了44%。我们通过一个最多包含12架Crazyflie四旋翼的机群实验验证了该方法。代码、补充材料及视频已公开以供参考。

0
下载
关闭预览

相关内容

专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
知识图谱推理,50页ppt,Salesforce首席科学家Richard Socher
专知会员服务
111+阅读 · 2020年6月10日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【推荐】GAN架构入门综述(资源汇总)
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月3日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年4月29日
Arxiv
0+阅读 · 2023年4月28日
VIP会员
最新内容
美国从乌克兰无人机战争中学习经验
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:03
ICML 2026 | 面向视觉语言模型的语义鲁棒性认证
专知会员服务
0+阅读 · 今天14:31
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
8+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
10+阅读 · 6月17日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【推荐】GAN架构入门综述(资源汇总)
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月3日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员