Karmaşık Çevrelerde Uçan İnsansız Hava Araçları İçin Olasılıksal Yörünge Planlama

Abstract

Genel kinodinamik hareket planlayıcılar gerçek uygulamalarda ancak küçük durum uzaylarına sahip sistemler için uygulanabilirdirler. Bu çalışmada, yoğun ve karmaşık şehir benzeri çevrelerde uçabilen hava araçlarını göze alarak, olasılıksal yörünge planlayıcılar tasarlamak istemekteyiz ve bunun için gerçek zamanlı uygulanabilir iki kademeli yaklaşım önermekteyiz. Genel yaklaşımımızda ilk adım olarak amacımız, başlangıç ve hedef noktalar arasında bağlantı yörüngesi bulmaktır. Aracın sadece parametre uzayının taranması için RRT arama metodu kullanılır. Sonuç olarak geriye kalan yol noktaları olarak adlandırdığımız noktalar çoğunlukla engeller tarafından oluşturulmuş dar geçitlerin giriş ve çıkış bölgelerinde görülecektir. Bu ilk adımdan sonra, Dimanik-Uygulanabilir Yörünge üretebilmek için iki ayrı yöntem önermekteyiz. Mod-Tabanlı PRM Planlayıcı olarak adlandırdığımız bu ilk yapı, manevraları ayrık modlarla tanımlanabilecek atak insansız hava araçları için uygun olan bir yöntemdir. Bu türden kontol ve kapalı-çevrim modlarını kullanarak yörünge planlama yaklaşımı sonucunda önemli ölçüde kontrol değişkenleri uzayı boyutu, dolayısıyla taranılan uzayın boyutu küçülmektedir. Daha önceden elde edilmiş bağlantı yörüngesini oluşturan noktalar arasında, bu ayrık uçuş modu seçimlerini kullanarak, dinamik-yapılabilir uçuş yörüngeleri üretebilmek için Tek-sorgulu Olasılıksal Yol Haritası (PRM) aramaları kullanılır. Olasılıksal B-Spline Planlayıcı olarak adlandırdığımız ikinci yörünge planlama yaklaşımı ise ilk adımda elde edilen yol noktalarından geçen sabit ivmeli uçuş yörüngeleri üretmek için daha uygun bir yöntemdir. Bu zaman boyutu değiştirilebilir sabit ivmeli uçuş yörüngeleri, kapalı çevrim dinamiğe sahip insansız bir helikopterin yörünge kontrolüne benzemektedir. Bu yaklaşımda, bağlantı yörüngesi üzerinde bulunan her bir yol noktası B-Spline yörünge eğrisi ile bağlanır ve bu eğriler yerel-etki özellikleri sayesinde bazı olasılıksal onarma yöntemleri ile dinamik-yapılabilir yörüngeler elde edebilmek için yeniden düzenlenir.

General kinodynamic motion planners are implementable only for systems that have small state-space dimensions in practice. In this work, we consider the design a probabilistic trajectory planner for an unmanned aerial vehicles flying in a dense and complex city-like environment and we suggest a real-time implementable two-step planner strategy. Our general motion planning strategy, as a first step, is aimed at finding a connectivity path between the initial and the goal point. After this first step we suggest two methods to create Dynamically Feasible Path, first one that we called Mode Based PRM Planner is suitable for agile unmanned aerial vehicles that their maneuvers can be define with distinct modes. This allows significant decreases in control input space and thus search dimensions, resulting in a natural way to design controllers and implement trajectory planning using the closed-form flight modes. In this approach the resulting connectivity path and the corresponding milestones are refined with a single-query Probabilistic Road Map (PRM) implementation that creates dynamically feasible flight paths with distinct flight mode selections. Our second path planning method that we called Probabilistic B-Spline Planner is more suitable for generating constant acceleration flight paths that pass through milestones are founded in the first step. In this strategy, every consecutive way points belongs to connectivity path re-connected with B-Spline curves and these curves repaired probabilistically thanks to local support property of B-Spline curves with some repairing methods to obtain dynamically feasible path.