Published July 26, 2018
| Version v1
Publication
Open
An Optimization Problem for Quadcopter Reference Flight Trajectory Generation
- 1. Shanghai Jiao Tong University
- 2. University of Boumerdes
- 3. Shanghai University of Engineering Science
Description
This paper deals with the reference flight trajectory generation and planning problems for quadcopter Unmanned Aerial Vehicle (UAV). The reference flight trajectory is defined as the composition of path and motion functions. Both of them are generated by using quintic B-spline functions. Based on differential flatness approach, the quadcopter dynamical constraints are satisfied instantaneously by computing the induced aerodynamical moments and lift force. The optimal reference flight trajectory, with respect to the mission requirements and imposed constraints, is reached by manipulating the control points' vectors of B-spline functions via a nonlinear constrained optimization method. The mission requirements are defined as a set of waypoints with their respective scheduled flight timetable. A minimum-energy cost function is developed to minimize the consumed energy and induced efforts by reference flight trajectory. For the need of the optimal overfly-times schedule, the overfly times with respect to the defined constraints and performance criteria are calculated. Numerical simulation results show the feasibility and effectiveness of the proposed optimization method.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تتناول هذه الورقة مشاكل توليد وتخطيط مسار الطيران المرجعي للمركبة الجوية بدون طيار ذات المروحية الرباعية (UAV). يتم تعريف مسار الطيران المرجعي على أنه تكوين وظائف المسار والحركة. يتم إنشاء كلاهما باستخدام دوال الخط B الخماسي. بناءً على نهج التسطيح التفاضلي، يتم استيفاء القيود الديناميكية رباعية المروحيات على الفور من خلال حساب اللحظات الديناميكية الهوائية المستحثة وقوة الرفع. يتم الوصول إلى مسار الطيران المرجعي الأمثل، فيما يتعلق بمتطلبات المهمة والقيود المفروضة، من خلال معالجة متجهات نقاط التحكم لوظائف الخط B عبر طريقة تحسين مقيدة غير خطية. يتم تعريف متطلبات المهمة على أنها مجموعة من نقاط الطريق مع الجدول الزمني لرحلاتها المجدولة. يتم تطوير وظيفة الحد الأدنى من تكلفة الطاقة لتقليل الطاقة المستهلكة والجهود المستحثة من خلال مسار الطيران المرجعي. بالنسبة للحاجة إلى جدول أوقات التحليق الأمثل، يتم حساب أوقات التحليق فيما يتعلق بالقيود المحددة ومعايير الأداء. تُظهر نتائج المحاكاة العددية جدوى وفعالية طريقة التحسين المقترحة.Translated Description (French)
Cet article traite des problèmes de génération et de planification de trajectoire de vol de référence pour les véhicules aériens sans pilote (UAV) quadricoptères. La trajectoire de vol de référence est définie comme la composition des fonctions de trajectoire et de mouvement. Les deux sont générés en utilisant des fonctions quintiques B-spline. Sur la base d'une approche de planéité différentielle, les contraintes dynamiques du quadricoptère sont satisfaites instantanément en calculant les moments aérodynamiques induits et la force de portance. La trajectoire de vol de référence optimale, par rapport aux exigences de la mission et aux contraintes imposées, est atteinte en manipulant les vecteurs des points de contrôle des fonctions B-spline via un procédé d'optimisation contrainte non linéaire. Les exigences de la mission sont définies comme un ensemble de points de cheminement avec leur horaire de vol prévu respectif. Une fonction de coût d'énergie minimum est développée pour minimiser l'énergie consommée et les efforts induits par la trajectoire de vol de référence. Pour la nécessité du calendrier optimal des temps de survol, les temps de survol par rapport aux contraintes et aux critères de performance définis sont calculés. Les résultats de simulation numérique montrent la faisabilité et l'efficacité de la méthode d'optimisation proposée.Translated Description (Spanish)
Este trabajo aborda los problemas de generación y planificación de trayectorias de vuelo de referencia para vehículos aéreos no tripulados (UAV) cuadricópteros. La trayectoria de vuelo de referencia se define como la composición de las funciones de trayectoria y movimiento. Ambos se generan mediante el uso de funciones B-spline quínticas. Basado en el enfoque de planicidad diferencial, las restricciones dinámicas del cuadricóptero se satisfacen instantáneamente al calcular los momentos aerodinámicos inducidos y la fuerza de sustentación. La trayectoria de vuelo de referencia óptima, con respecto a los requisitos de la misión y las restricciones impuestas, se alcanza manipulando los vectores de los puntos de control de las funciones B-spline a través de un método de optimización restringido no lineal. Los requisitos de la misión se definen como un conjunto de puntos de referencia con su respectivo horario de vuelo programado. Se desarrolla una función de coste mínimo de energía para minimizar la energía consumida y los esfuerzos inducidos por la trayectoria de vuelo de referencia. Para la necesidad del programa óptimo de tiempos de sobrevuelo, se calculan los tiempos de sobrevuelo con respecto a las restricciones definidas y los criterios de rendimiento. Los resultados de la simulación numérica muestran la viabilidad y efectividad del método de optimización propuesto.Files
6574183.pdf.pdf
Files
(16.1 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:af54b8ee18f51f57548053506cef8edf
|
16.1 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- مشكلة في التحسين لتوليد مسار الرحلة المرجعي للطائرة المروحية الرباعية
- Translated title (French)
- Un problème d'optimisation pour la génération de trajectoires de vol de référence de quadricoptère
- Translated title (Spanish)
- Un problema de optimización para la generación de trayectorias de vuelo de referencia de cuadricóptero
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2883371381
- DOI
- 10.1155/2018/6574183
References
- https://openalex.org/W1594126539
- https://openalex.org/W2000803795
- https://openalex.org/W2011097576
- https://openalex.org/W2063464957
- https://openalex.org/W2071298959
- https://openalex.org/W2105080564
- https://openalex.org/W2119394765
- https://openalex.org/W2142424817
- https://openalex.org/W2225813005
- https://openalex.org/W2494257136
- https://openalex.org/W2532185208
- https://openalex.org/W2745756226