Three-Dimensional Reachability Set For a Dubins Car: Reduction of the General Case of Rotation Constraints to the Canonical Case

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In mathematical control theory, a Dubins car is a nonlinear motion model described by differential relations, in which the scalar control determines the instantaneous angular rate of rotation. The value of the linear velocity is assumed to be constant. The phase vector of the system is three-dimensional. It includes two coordinates of the geometric position and one coordinate having the meaning of the angle of inclination of the velocity vector. This model is popular and is used in various control tasks related to the motion of an aircraft in a horizontal plane, with a simplified description of the motion of a car, small surface and underwater vehicles, etc. Scalar control can be constrained either by a symmetric constraint (when the minimum rotation radii to the left and right are the same) or asymmetric constraint (when rotation is possible in both directions, but the minimum rotation radii are not the same). Usually, problems with symmetric and asymmetric constraints are considered separately. It is shown that when constructing the reachability set at the moment, the case of an asymmetric constraint can be reduced to a symmetric case.

About the authors

V. S. Patsko

Institute of Mathematics and Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620108, Yekaterinburg, Russia

Email: patsko@imm.uran.ru
Россия, Екатеринбург

A. A. Fedotov

Institute of Mathematics and Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620108, Yekaterinburg, Russia

Author for correspondence.
Email: patsko@imm.uran.ru
Россия, Екатеринбург

References

  1. Dubins L.E. On Curves of Minimal Length with a Constraint on Average Curvature, and with Prescribed Initial and Terminal Positions and Tangents // American J. Math. 1957. V. 79. № 3. P. 497–516.
  2. Марков А.А. Несколько примеров решения особого рода задач о наибольших и наименьших величинах // Сообщ. Харьков. матем. общ. Вторая сер. 1889. Т. 1. Вып. 2. С. 250–276.
  3. Айзекс Р. Дифференциальные игры. М.: Мир, 1967.
  4. Patsko V.S., Fedotov A.A. Three-dimensional Reachable Set for the Dubins Car: Foundation of Analytical Description // Commun. Optim. Theory. 2022. V. 2022. Article ID 23. P. 1–42.
  5. Laumond J.-P. (ed.) Robot Motion Planning and Control. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1998 (Lecture Notes in Control and Information Sciences. V. 229).
  6. LaValle S.M. Planning Algorithms. Cambridge: Cambridge University Press, 2006.
  7. Бузиков М.Э., Галяев А.А. Перехват подвижной цели машиной Дубинса за кратчайшее время // АиТ. 2021. № 5. С. 3–19.
  8. Ардентов А.А., Локуциевский Л.В., Сачков Ю.Л. Решение серии задач оптимального управления с 2-мерным управлением на основе выпуклой тригонометрии // Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления. 2020. Т. 494. № 1. С. 86–92.
  9. Хабаров С.П., Шилкина М.Л. Геометрический подход к решению задачи для машин Дубинса при формировании программных траекторий движения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 5. С. 653–663.
  10. Зимовец А.А., Матвийчук А.Р., Ушаков А.В., Ушаков В.Н. Свойство стабильности в игровой задаче о сближении при наличии фазовых ограничений // Изв. РАН. ТиСУ. 2021. № 4. С. 27–45.
  11. Бортаковский А.С. Оптимальные по быстродействию траектории плоского движения с неограниченной кривизной // Изв. РАН. ТиСУ. 2022. № 4. С. 49–59.
  12. Bakolas E., Tsiotras P. Optimal Synthesis of the Asymmetric Sinistral / Dextral Markov-Dubins Problem // J. Optim. Theory Appl. 2011. V. 150. № 2. P. 233–250.
  13. Миеле А. Механика полета. М.: Наука, 1965.
  14. Pecsvaradi T. Optimal Horizontal Guidance Law for Aircraft in the Terminal Area // IEEE Trans. on Automatic Control. 1972. V. 17. № 6. P. 763–772.
  15. Пацко В.С., Пятко С.Г., Федотов А.А. Трехмерное множество достижимости нелинейной управляемой системы // Изв. РАН. ТиСУ. 2003. № 3. С. 8–16.
  16. Пацко В.С., Федотов А.А. Аналитическое описание множества достижимости для машины Дубинса // Тр. Ин-та математики и механики УрО РАН. 2020. Т. 26. № 1. С. 182–197.
  17. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Физматгиз, 1961.
  18. Ли Э.Б., Маркус Л. Основы теории оптимального управления. М.: Наука, 1972.
  19. Tolstonogov A.A. Differential Inclusions in a Banach Space. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ. 2000 (Mathematics and Its Applications. V. 524).
  20. Пацко В.С., Федотов А.А. Множество достижимости в момент для машины Дубинса в случае одностороннего поворота // Тр. Ин-та математики и механики УрО РАН. 2018. Т. 24. № 1. С. 143–155.
  21. Пацко В.С., Федотов А.А. Структура множества достижимости для машины Дубинса со строго односторонним поворотом // Тр. Ин-та математики и механики УрО РАН. 2019. Т. 25. № 3. С. 171–187.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (14KB)
3.

Download (69KB)
4.

Download (40KB)
5.

Download (64KB)
6.

Download (37KB)
7.

Download (42KB)
8.

Download (28KB)
9.

Download (99KB)
10.

Download (264KB)


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies