Trajectory Planning for Multiple Quadrotors using Relative Safe Flight Corridor and Relative Bernstein Polynomial

Abstract

Multi-agent systems consisting of unmanned aerial vehicles (UAVs) are receiving attention from many industrial domains due to their mobility, and applicability. To safely operate these multiagent systems, path planning algorithm that can generate safe, dynamically feasible trajectory is required. However, existing multi-agent trajectory planning methods may fail to generate multiagent trajectory in obstacle-dense environment due to deadlock or optimization failure caused by infeasible collision constraints. In this paper, we presents a new e client algorithm which guarantees a solution for a class of multi-agent trajectory planning problems in obstacle-dense environments. Our algorithm combines the advantages of both grid-based and optimization-based approaches, and generates safe, dynamically feasible trajectories without su ering from an erroneous optimization setup such as imposing infeasible collision constraints. We adopt a sequential optimization method with dummy agents to improve the scalability of the algorithm, and utilize the convex hull property of Bernstein polynomial to replace non-convex collision avoidance constraints to convex ones. We validate the proposed algorithm through the comparison with our previous work and SCP-based method. The proposed method reduces more than 50% of the objective cost compared to our previous work, and reduces more than 75% of the computation time compared to SCP-based method. Furthermore, the proposed method can compute the trajectory for 64 agents on average 6.36 seconds with Intel Core i7-7700 @ 3.60GHz CPU and 16G RAM.

무인비행체(UAV)로 구성된 다중 에이전트 시스템은 높은 기동성 및 응용 가능성으로 많은 산업 분야에서 관심을 받고 있다. 이러한 다중 에이전트 시스템을 안전하게 운용하려면 안전하고 동적으로 실현 가능 경로를 생성할 수 있는 경로 계획 알고리즘이 필요하다. 그러나 기존의 다중 에이전트 경로 계획 방법은 장애물 환경에서 교착 상태나 부적절한 충돌 회피 조건으로 인한 최적화 실패가 일어날 수 있다는 한계가 있다. 본 논문에서는 장애물 환경에서 해의 존재를 보장하도록 다중 에이전트 경로 계획 문제를 변환한 뒤 이를 효율적으로 풀어낼 수 있는 새로운 경로 계획 알고리즘을 제시한다. 이 알고리즘은 그리드 기반 접근법과 최적화 기반 접근법의 장점을 모두 가지도록 설계되었으며, 불가능한 충돌 구속조건을 부과하지 않고 안전하고 동적으로 실현 가능한 궤적을 생성할 수 있다. 이 알고리즘은 더미 에이전트(dummy agents)을 이용한 순차 최적화 방법을 사용하여 알고리즘의 확장성(scalability)을 높였으며, 번스타인(Bernstein) 다항식의 볼록 껍질(convex hull) 성질을 활용하여 볼록하지 않은 충돌 회피 제약 조건을 볼록화하였다. 제안된 알고리즘의 성능은 선행 연구와 SCP 기반 방법과의 비교를 통해 검증되었다. 제안된 방법은 선행 연구에 비해 목표 비용의 50% 이상 절감하였으며, SCP 기반 방법에 비해 계산 시간의 75% 이상 감소하였다. 또한 제안된 방법은 인텔 코어 i7-7700 @ 3.60GHz CPU 및 16G RAM 환경에서 64개 에이전트의 궤적을 계산하는데 평균 6.36초가 소요된다.