[论文解读] Robust and Efficient Quadrotor Trajectory Generation for Fast Autonomous Flight

Boyu Zhou, Fei Gao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 22被引用 12

一句话总结

本文提出了一种鲁棒且高效的在线运动规划系统，适用于在复杂三维环境中实现高速自主四旋翼飞行。该系统结合了动力学路径搜索与B样条优化，利用凸包性质并结合迭代时间调整，可在3毫秒内生成平滑、动力学可行且具有高侵略性的轨迹，显著优于以往方法在速度和成功率方面的表现。

ABSTRACT

In this paper, we propose a robust and efficient quadrotor motion planning system for fast flight in 3-D complex environments. We adopt a kinodynamic path searching method to find a safe, kinodynamic feasible and minimum-time initial trajectory in the discretized control space. We improve the smoothness and clearance of the trajectory by a B-spline optimization, which incorporates gradient information from a Euclidean distance field (EDF) and dynamic constraints efficiently utilizing the convex hull property of B-spline. Finally, by representing the final trajectory as a non-uniform B-spline, an iterative time adjustment method is adopted to guarantee dynamically feasible and non-conservative trajectories. We validate our proposed method in various complex simulational environments. The competence of the method is also validated in challenging real-world tasks. We release our code as an open-source package.

研究动机与目标

• 解决在杂乱、动态环境中高速自主四旋翼飞行缺乏鲁棒且高效轨迹生成方法的问题。
• 克服现有方法中保守的动力学约束与启发式时间分配的局限性。
• 在严格的计算与实时约束下，实现高速、动力学可行且平滑的轨迹。
• 确保在未知或快速变化环境中可重复重规划时具有高成功率与低计算时间。
• 通过优化时间分配，在保持安全与动力学可行性的同时实现非保守、高侵略性的运动。

提出的方法

• 在离散控制空间中采用基于启发式的动力学路径搜索，以生成安全、最短时间的初始轨迹。
• 应用利用凸包性质的B样条优化，以高效整合来自欧几里得距离场与动力学约束的梯度信息。
• 将最终轨迹表示为非均匀B样条，以实现灵活的时间分配与动力学可行性。
• 开发一种迭代时间调整方法，将控制点的导数与时间分配关联，从而实现非保守的速度与加速度分布。
• 采用两阶段流水线：前端路径搜索后接后端非线性轨迹优化，以提升效率与收敛性。
• 将基于梯度的优化与B样条结构相结合，以加速收敛并改善轨迹的平滑性与间隙距离。

实验结果

研究问题

• RQ1 运动规划系统能否在复杂三维环境中实时生成安全、动力学可行且具有高侵略性的轨迹，以支持高速四旋翼飞行？
• RQ2 如何利用凸包性质增强B样条优化，以提升收敛速度与轨迹质量？
• RQ3 在非均匀B样条中，B样条控制点的导数与时间分配之间存在何种关系，以确保动力学可行性？
• RQ4 迭代时间调整方法能否消除保守约束，同时保持动力学可行性并提升轨迹的侵略性？
• RQ5 与基于梯度或启发式的方法相比，所提方法在计算时间、成功率与平滑性方面的表现如何？

主要发现

• 所提方法在3毫秒内完成收敛，最佳情况下计算时间仅为1毫秒，显著快于以往基于梯度的方法（10毫秒）。
• 与先前方法相比，平方加加速度积分平均降低18%（35.932 vs. 43.913），表明轨迹平滑性更优。
• 该方法在复杂仿真环境中成功生成轨迹，成功率高，并在高侵略性速度配置下仍保持动力学可行性。
• 在真实世界自主飞行中，四旋翼在仅5米感知半径的未知杂乱环境中，实现了平均1.3米/秒、最大1.7米/秒的飞行速度。
• 在具有突发目标变更的高侵略性飞行实验中，系统能够快速重规划轨迹，并保持平滑、连续的运动，展现出实时鲁棒性。
• 迭代时间调整方法成功避免了保守的速度与加速度约束，实现了非保守但动力学可行的轨迹。