[论文解读] Safe Affine Transformation-Based Guidance of a Large-Scale Multi-Quadcopter System (MQS)

Hossein Rastgoftar, Ilya Kolmanovsky|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Distributed Control Multi-Agent Systems被引用 7

一句话总结

本文提出了一种安全、去中心化的基于仿射变换的引导框架，用于障碍物密集环境中的大规模多旋翼飞行器系统（MQS）。通过结合A*路径规划与特征值约束的仿射变换，该方法确保了飞行器间碰撞避免、旋翼机包含性以及障碍物避让，仿真结果验证了在780秒内轨迹偏差始终控制在0.115 m以内，实现了安全协调。

ABSTRACT

This paper studies the problem of affine transformation-based guidance of a multi-quadcopter system (MQS) in an obstacle-laden environment. Such MQSs can perform a variety of cooperative tasks including information collection, inspection mapping, disinfection, and firefighting. The MQS affine transformation is an approach to a decentralized leader-follower coordination guided by n +1 leaders, where leaders are located at vertices of an n-D simplex, called leading simplex, at any time t. The remaining agents are followers acquiring the desired affine transformation via local communication. Followers are contained in a rigid-size ball at any time t but they can be distributed either inside or outside the leading simplex. By eigen-decomposition of the affine transformation coordination, safety in a large-scale MQS coordination can be ensured by constraining eigenvalues of the affine transformation. Given the initial and final configurations of the MQS, A-star search is applied to optimally plan safe coordination of a large-scale MQS minimizing the travel distance between the the initial and final configuration. The paper also proposes a proximity-based communication topology for followers to assign communication weights with their in-neighbors and acquire the desired coordination with minimal computation cost.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、安全的协调策略，用于在障碍物密集环境中的大规模多旋翼飞行器系统（MQS）。
• 通过放宽n+1个领航机必须始终构成n维单形的条件，扩展连续形变协调方法。
• 通过仿射变换的特征值约束确保安全性，保证飞行器间碰撞避免与旋翼机包含性。
• 通过A*路径规划与时间协调，最小化行程距离并确保轨迹偏差有界。
• 通过基于邻近度的通信拓扑结构实现高效、低计算成本的去中心化协调。

提出的方法

• 将仿射变换协调分解为空间规划（A*搜索以获取最优路径）与时间规划（轨迹偏差有界）问题。
• 利用仿射变换的特征值分解，推导基于特征值约束的安全条件。
• 应用A*搜索计算最小化行程距离的最优轨迹，同时确保障碍物与飞行器间碰撞避免。
• 定义一种基于邻近度的通信拓扑结构，其中跟随者根据空间邻近度为前驱节点分配通信权重。
• 对最小与最大特征值施加约束（λ₁ ≥ 1，λ₃ ≤ 1.1243），以确保包含性与碰撞避免。
• 通过时变的仿射变换参数，利用本地通信引导跟随者运动，确保其轨迹相对于全局期望轨迹的偏差有界。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在障碍物密集环境中，通过去中心化控制实现对大规模多旋翼飞行器系统的安全协调？
• RQ2 仿射变换的特征值需满足何种约束，才能保证飞行器间碰撞避免与旋翼机包含性？
• RQ3 如何将最优路径规划与时间协调相结合，以最小化行程距离，同时保持安全性？
• RQ4 与传统连续形变方法相比，放宽领航机形成单形的约束后，机动性提升程度如何？
• RQ5 基于邻近度的低计算成本通信拓扑结构，如何在大规模MQS中实现有效的去中心化协调？

主要发现

• 通过将仿射变换的最大特征值约束在λₘₐₓ = 1.1243，所提方法确保了飞行器间碰撞避免与旋翼机包含性。
• 所有时刻t ∈ [0, 780]秒内，每个旋翼机的轨迹偏差始终有界，δ = 0.115 m。
• 行程时间T = 780 s满足安全条件T ≥ T* = 776 s，确保其相对于全局轨迹的偏差有界。
• 仿真结果表明，MQS能够安全通过狭窄通道，保持编队完整性并避开障碍物。
• 基于邻近度的通信拓扑结构实现了低计算成本的去中心化协调，支持系统可扩展性。
• A*路径规划成功最小化了总行程距离，同时在复杂环境中保证了安全与障碍物避让。