طراحي سه بعدي مسير بهينه ي پروازي مقيد براي يك ربات پرنده ي چهارپره شش درجه آزادي جهت كاربردهاي ترافيك شهري

Three-Dimensional Constrained Optimal Motion Planning for a Six-Degree-of-Freedom Quadrotor Helicopter for Urban Traffic Purposes

ترافيك، يك واژه ي شناخته شده ي بين المللي است كه يكي از مهمترين عوامل ايجاد آن در كشورهاي توسعه يافته افزايش جمعيت مي-باشد. بررسي ها نشان مي دهد كه بهترين راه كنترل ترافيك و به مفهوم ديگر به حداقل رساندن ضرر و زيان ناشي از آن، استفاده از عواملي است كه گزارشات ترافيك را در بهينه ترين زمان ممكن انجام دهد. لذا در اين پژوهش به منظور كنترل ترافيك، پس از مدل سازي ربات پرنده ي چهارپره توسط رابطه ي نيوتن- اويلر، يك مسير سه بعدي بهينه ي مقيد با استفاده از تكنيك ترتيب مستقيم طراحي شده است. به عبارت ديگر، ابتدا مسيله ي مطرح شده در اين پژوهش به عنوان يك مسيله كنترل بهينه فرموله شده است و سپس مسيله ي كنترل بهينه با استفاده از رويكرد ترتيب مستقيم كه يكي از روش‌هاي حل عددي مسايل كنترل بهينه است، كاملا گسسته شده و به يك مسيله برنامه ريزي غيرخطي تبديل گرديده است. در نهايت حل مسيله ي برنامه ريزي غيرخطي فوق‌الذكر از طريق حل كننده ‌ي‌ SNOPT صورت گرفته است كه براي حل از روش هاي گرادياني نظير SQP بهره مي‌گيرد. لازم به ذكر است از آن‌جايي كه هدف غايي طراحي مسير در اين پژوهش، كنترل ترافيك شهري مي باشد، لذا قيدهاي در حين مسير تعريف شده در حل اين مسيله از نوع قيدهاي شهري هستند بدين صورت كه هر ساختمان در مسير پروازي با يك استوانه مدل شده است. نتايج حاصل از شبيه سازي نشان مي دهند كه روش فوق الذكر، يك روش كارامد و موثر در طراحي سه بعدي مسير بهينه ي پروازي مي باشد.

The issue of traffic is an international challenge in the sophisticated countries in which over population is considered an important factor in creating this problem. Studies show that accident reports during the minimum time are the best way to control the traffic. For this purpose, this paper has been done in such a way that after modeling the flying robot using Newton-Euler equations, a three-dimensional constrained optimal trajectory has been generated through Direct Collocation Approach. In other words, the proposed problem in this paper is first formulated as an optimal control problem. Afterwards, the optimal control problem is discretized through Direct Collocation Technique, which is one of the numerical solving methods of the optimal control problems, and it is transformed into a Nonlinear Programing Problem (NLP). Eventually, the aforementioned nonlinear programming problem is solved via SNOPT which works based on the gradient algorithm like SQP. It should be noted that since the main objective of motion planning in this paper is controlling the urban traffic, the urban constrains are utilized during the trajectory optimization. In other words, all of the high-rise buildings located during the course are modeled by the various cylinders. The efficacy of the aforementioned method is demonstrated by extensive simulations, and in particular it is confirmed that this method is capable of producing a suitable solution for three-dimensional constrained optimal motion planning for a six-degree-of-freedom quadrotor helicopter for urban traffic purposes.