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Decentralized Multi-UAV Path Planning Based on Two-Layer Coordinative Framework for Formation Rendezvous

会合 运动规划 计算机科学 可扩展性 分布式计算 路径(计算) 任意角度路径规划 避碰 能源消耗 数学优化 碰撞 计算机网络 机器人 人工智能 工程类 航空航天工程 数学 电气工程 数据库 计算机安全 航天器
作者
Zhekun Cheng,Liangyu Zhao,Zhongjiao Shi
出处
期刊:IEEE Access [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:10: 45695-45708 被引量:31
标识
DOI:10.1109/access.2022.3170583
摘要

Unmanned aerial vehicle (UAV) formation rendezvous path planning problem is one of the important research topics in multiple UAV (multi-UAV) coordinated path planning. Aiming at solving low computational efficiency and poor scalability of the traditional multi-UAV path planning method, the decentralized multi-UAV path planning method suitable for obstacle environments is proposed. Firstly, the UAV rendezvous path planning problem with constraints such as the kinematics of UAVs and collision-free constraints is modeled as a non-convex optimal control problem. To minimize formation rendezvous time and energy consumption, a two-layer coordinative framework is developed to solve this problem. In the coordination layer, relying only on the information of neighboring UAVs, each UAV in the decentralized communication graph negotiates the desired flight time using a consensus protocol to achieve coordination among UAVs. In the planning layer, the initial non-convex formation rendezvous path planning problem is decoupled into several sub-problems, which can be solved in parallel by path planners distributed on each UAV using sequential convex programming. Finally, numerical simulations are carried out to verify the effectiveness and scalability of the proposed method. The results show that this decentralized multi-UAV path planning method can handle the minimum-time rendezvous path planning problem and optimize the energy consumption in flight, and the computing time does not increase significantly with the enlargement of the UAV swarm. This decentralized framework scales well with the number of UAVs and can be applied for future urban flight and supplies delivery tasks.
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