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Quaternion-Based Optimal Interpolation of Similarity Transformations for Multi-Agent Formation

四元数 插值(计算机图形学) 数学优化 数学 最优控制 相似性(几何) 代表(政治) 平滑度 多项式的 计算机科学 域代数上的 算法 应用数学 运动(物理) 人工智能 纯数学 几何学 数学分析 图像(数学) 政治 政治学 法学
作者
Zeming Wu,Zhuping Wang,Hao Zhang,Huaicheng Yan
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters 卷期号:9 (6): 5783-5790 被引量:2
标识
DOI:10.1109/lra.2024.3396662
摘要

This paper addresses the challenge of optimal motion interpolation in multi-agent formation control. The primary goal is to generate trajectories of similarity transformations that minimize various metrics, such as distance traveled, kinetic energy consumption, and overall smoothness. The quaternion-based representation is introduced for similarity transformations, providing an innovative solution to bypass the intricate mapping between Lie group elements and Lie algebra elements. The quaternion-based approach enables the calculation of time derivatives of agents through finite algebraic operations. This feature is pivotal for efficient motion interpolation. This simplification significantly enhances the efficiency and effectiveness of the interpolation process, making it a valuable tool for multi-agent formation control. To address the optimal motion interpolation problem, we formulate it as a variational problem and derive necessary conditions for both two-point and multiple-point optimal interpolations. To further improve computational efficiency while preserving the optimal solution's structure, we propose a polynomial approximation method. Finally, we illustrate the effectiveness of the proposed method through examples of ellipsoid formation. Comparative analyses demonstrate the optimality of our approach.
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