Due to the strong nonlinearity and nonholonomic dynamics, despite that various general trajectory optimization methods have been presented, few of them can guarantee efficient compu-tation and physical feasibility for relatively complicated fixed-wing UAV dynamics. Aiming at this issue, this paper investigates a differential flatness-based trajectory optimization method for fixed-wing UAVs (DFTO-FW), which transcribes the trajectory optimization into a lightweight, unconstrained, gradient-analytical optimization with linear time complexity in each itera-tion to achieve fast trajectory generation. Through differential flat characteristics analysis and polynomial parameterization, the customized trajectory representation is presented, which implies the equality constraints to avoid the heavy computational burdens of solving complex dynamics. Through the design of integral performance costs and deduction of analytical gradients, the original trajectory optimization is transcribed into an uncon-strained, gradient-analytical optimization with linear time com-plexity to further improve efficiency. The simulation experi-ments illustrate the superior efficiency of the DFTO-FW, which takes sub-second CPU time against other competitors by orders of magnitude to generate fixed-wing UAV trajectories in ran-domly generated obstacle environments.


翻译:由于固定翼无人机具有强非线性和非完整动力学特性,尽管已有多种通用轨迹优化方法被提出,但鲜有方法能针对相对复杂的固定翼无人机动力学模型同时保证高效计算与物理可行性。针对这一问题,本文研究了一种基于微分平坦度的固定翼无人机轨迹优化方法(DFTO-FW),该方法将轨迹优化问题转化为一种轻量级、无约束、具有梯度解析形式的优化问题,其每次迭代具有线性时间复杂度,从而实现快速轨迹生成。通过微分平坦特性分析与多项式参数化,提出了定制化的轨迹表示方法,该方法隐含了等式约束,避免了求解复杂动力学模型带来的沉重计算负担。通过设计积分性能代价函数并推导解析梯度,将原始轨迹优化问题转化为无约束、梯度解析的优化问题,并具有线性时间复杂度,从而进一步提升效率。仿真实验表明,DFTO-FW 具有卓越的计算效率,在随机生成的障碍物环境中生成固定翼无人机轨迹时,其CPU耗时仅为亚秒级,较其他对比方法快数个数量级。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9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
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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+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
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
12+阅读 · 2021年9月13日
Adaptive Synthetic Characters for Military Training
Arxiv
50+阅读 · 2021年1月6日
Domain Representation for Knowledge Graph Embedding
Arxiv
14+阅读 · 2019年9月11日
Arxiv
17+阅读 · 2018年4月2日
VIP会员
相关资讯
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
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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+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
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员