HPO-RRT*: a sampling-based algorithm for UAV real-time path planning in a dynamic environment

运动规划 随机树 路径(计算) 计算机科学 启发式 任意角度路径规划 数学优化 采样(信号处理) 树(集合论) 规划师 算法 人工智能 机器人 数学 计算机视觉 程序设计语言 数学分析 滤波器(信号处理)
作者
Yicong Guo,Xiaoxiong Liu,Qianlei Jia,Xuhang Liu,Weiguo Zhang
出处
期刊:Complex & Intelligent Systems 卷期号:9 (6): 7133-7153 被引量:13
标识
DOI:10.1007/s40747-023-01115-2
摘要

Abstract The real-time path planning of unmanned aerial vehicles (UAVs) in dynamic environments with moving threats is a difficult problem. To solve this problem, this paper proposes a time-based rapidly exploring random tree (time-based RRT*) algorithm, called the hierarchical rapidly exploring random tree algorithm based on potential function lazy planning and low-cost optimization (HPO-RRT*). The HPO-RRT* algorithm can guarantee path homotopy optimality and high planning efficiency. This algorithm uses a hierarchical architecture comprising a UAV perception system, path planner, and path optimizer. After the UAV perception system predicts moving threats and updates world information, the path planner obtains the heuristic path. First, the path planner uses the bias sampling method based on the artificial potential field function proposed in this paper to guide sampling to improve the efficiency and quality of sampling. Then, the tree is efficiently extended by the improved time-based lazy collision checking RRT* algorithm to obtain the heuristic path. Finally, a low-cost path optimizer quickly optimizes the heuristic path directly to optimize the path while avoiding additional calculations. Simulation results show that the proposed algorithm outperforms the three existing advanced algorithms in terms of addressing the real-time path-planning problem of UAVs in a dynamic environment.
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