Time Optimal Trajectories for a Car-Like Mobile Robot

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作者
Joseph Z. Ben‐Asher,Elon Rimon
出处
期刊:IEEE Transactions on Robotics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:38 (1): 421-432 被引量:22
标识
DOI:10.1109/tro.2021.3080656
摘要

This article studies the time optimal paths of a car-like mobile robot navigating in an obstacle-free planar environment. The robot, with forward and backward speeds, is controlled by bounded acceleration and limited front-wheels steering rate. The article extends previous results that solved this problem for a simplified car-robot model controlled by bounded speed and limited heading rate. The simplified car-robot model forms a unicycle with coupled bounds on the control inputs, while the full car-robot model has independent control inputs. The problem is analyzed as an optimal control problem by the minimum principle and by singular control theory. While the simplified car-robot model gives six time optimal path primitives, the optimality conditions for the full car-robot model yield twelve path primitives that form the time optimal paths. Three primitives involve singular controls of the steering front wheels that asymptotically align the robot along a straight line motion. All path primitives are analytically characterized and representative examples are studied in order to demonstrate how the path primitives combine to form the time optimal paths.
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