Concetti Chiave
Dieser Artikel stellt eine neuartige Technik zur sicheren Navigation von Quadrokoptern entlang einer gewünschten Route unter Vermeidung kinematischer Hindernisse vor. Durch die Verwendung von Kontrollbarrierefunktionen (CBFs) und Kollisionskegeln wird sichergestellt, dass die relative Geschwindigkeit zwischen der Drohne und dem Hindernis immer einen Kegel von Vektoren vermeidet, die zu einer Kollision führen könnten.
Sintesi
Der Artikel präsentiert einen neuartigen Ansatz zur sicheren Bahnverfolgung von Quadrokoptern, der auf Kontrollbarrierefunktionen (CBFs) und Kollisionskegeln basiert.
Zunächst wird das Quadrokoptermodell beschrieben und das Konzept der Kontrollbarrierefunktionen eingeführt. Anschließend wird der Kollisionskegel-CBF-Ansatz (C3BF) für Quadrokopter entwickelt. Dabei werden zwei Fälle unterschieden:
- 3D-CBF-Kandidat für Hindernisse mit ähnlichen Dimensionen (modelliert als Kugel)
- Projektions-CBF-Kandidat für Hindernisse mit stark unterschiedlichen Dimensionen (modelliert als Zylinder)
Es wird gezeigt, dass beide CBF-Kandidaten gültige CBFs für das Quadrokoptermodell sind. Darüber hinaus wird der C3BF-Ansatz mit dem Stand der Technik der Höheren Ordnung CBFs (HO-CBFs) verglichen. Dabei wird deutlich, dass C3BF weniger konservativ ist und bessere Sicherheitsgarantien bietet.
Die Leistungsfähigkeit des C3BF-basierten Controllers wird in Simulationen mit statischen und bewegten Hindernissen sowie in Hardware-Experimenten mit dem Crazyflie 2.1-Quadrokopter validiert. Die Ergebnisse zeigen die Effektivität des Ansatzes bei der Kollisionsvermeidung.
Statistiche
Die Masse des Quadrokopters beträgt 0.027 kg.
Der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Rotoren beträgt 0.130 m.
Der Abstand des Zentrums zur Basis beträgt 0.014 m.
Das Trägheitsmoment um die x- und y-Achse beträgt 2.39 · 10^-5 kg·m^2.
Das Trägheitsmoment um die z-Achse beträgt 3.23 · 10^-5 kg·m^2.
Die Schubkonstante des Motors beträgt 3.16 · 10^-10.
Die Drehmoment-Konstante des Motors beträgt 7.94 · 10^-12.
Citazioni
"CBFs können als Quadratische Programme (QPs) formuliert werden und in Echtzeit gelöst werden, was sie für sicherheitskritische Anwendungen in Echtzeit gut geeignet macht."
"Der Kollisionskegel-Ansatz bietet eine einfache, effiziente und anpassungsfähige Methode zur Kollisionsvermeidung in verschiedenen Robotik- und autonomen Systemen."