[論文レビュー] 3-D Reciprocal Collision Avoidance on Physical Quadrotor Helicopters with On-Board Sensing for Relative Positioning

Parker Conroy, Daman Bareiss+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2014

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 22被引用数 35

ひとこと要約

本論文は、GPS やモーションキャプチャシステムを一切使用せず、搭載カメラによる相対位置決めのみを用いて、物理的四脚ロボットヘリコプター上で 3 次元最適相互衝突回避（ORCA）の初の実世界実装を提示している。センシングノイズや動的制約がある中でも、システムは安全な軌道への指数的収束により、協調的でないロボットや、非対称なセンシングに起因する「相互ダンス」行動を示すロボットに対しても、頑健な衝突回避を達成している。

ABSTRACT

In this paper, we present an implementation of 3-D reciprocal collision avoidance on real quadrotor helicopters where each quadrotor senses the relative position and velocity of other quadrotors using an on-board camera. We show that using our approach, quadrotors are able to successfully avoid pairwise collisions in GPS and motion-capture denied environments, without communication between the quadrotors, and even when human operators deliberately attempt to induce collisions. To our knowledge, this is the first time that reciprocal collision avoidance has been successfully implemented on real robots where each agent independently observes the others using on-board sensors. We theoretically analyze the response of the collision-avoidance algorithm to the violated assumptions by the use of real robots. We quantitatively analyze our experimental results. A particularly striking observation is that at times the quadrotors exhibit "reciprocal dance" behavior, which is also observed when humans move past each other in constrained environments. This seems to be the result of sensing uncertainty, which causes both robots involved to have a different belief about the relative positions and velocities and, as a result, choose the same side on which to pass.

研究の動機と目的

• GPS やモーションキャプチャシステムを一切使用せずに、物理的四脚ロボットヘリコプター上で 3 次元相互衝突回避を実装・検証すること。
• ORCA の重要な仮定（対称性、相互性、完全な動的特性）が実世界条件下で破られても、その影響を調査すること。
• センシング不確実性がどのように「相互ダンス」行動を引き起こし、衝突回避に与える影響を分析すること。
• 非協調的エージェントや実四脚ロボットにおける動的ずれに対して、ORCA の頑健性を評価すること。
• ORCA が、システムが完全にモデル化されていなくても、指数的収束により衝突のない軌道を達成できることを実証すること。

提案手法

• 各四脚ロボットは、搭載された CMOS カメラを用いてカルマンフィルタにより相対位置および相対速度を推定する。
• システムは、相対速度および相対位置に基づいて衝突回避のための速度調整を計算する最適相互衝突回避（ORCA）アルゴリズムを実装する。
• ORCA アルゴリズムは、相対状態推定値を用いて速度障害物を構築し、ロボット間の通信なしに分散的・反応的な衝突回避を可能にする。
• 本手法は相対速度パラダイムに依存しており、各ロボットは他のロボットの絶対的グローバル状態を知る必要がなく、相対状態のみを観測すればよい。
• 実験は、GPS およびモーションキャプチャを不可とする環境で、2台の Parrot AR.Drone 四脚ロボットを用いて実施された。
• 非協調的行動やセンシング不確実性を含むさまざまな条件下でテストを行い、頑健性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 センシング不確実性は、実世界の 3 次元四脚ロボットシステムにおける相互衝突回避行動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 物理的ロボットシステムにおいて、対称性および相互性の仮定が破られた場合、ORCA はどの程度頑健であるか？
• RQ3 動的制約や即時的な速度変更が不可能な状況下でも、ORCA は実四脚ロボットで衝突のない軌道を達成できるか？
• RQ4 実ロボットにおける「相互ダンス」行動の原因は何か？また、非対称なセンシングがどのようにそれらの行動を生じさせるか？
• RQ5 1台のロボットが他方を追跡できなくなった場合、システムの性能はどのようになるか？協調的であるロボットは依然として衝突を回避できるか？

主な発見

• GPS やモーションキャプチャシステムを一切使用せず、100回以上の実験で衝突を回避した。実世界環境下での頑健性が実証された。
• センシング不確実性により「相互ダンス」行動が生じ、相対状態推定の非対称性に起因して、頭突き接近時に両ロボットが同じ側を通過する現象が観察された。
• 1台の四脚ロボットが他方を追跡できなくなった場合でも、協調的であるロボットは安全な軌道への指数的収束により衝突を回避した。
• 動的制限がある中でも ORCA アルゴリズムは有効であり、即時的な速度調整が不可能な状況下でも、衝突のない経路への指数的収束が達成された。
• ノイズによる相対速度推定の過大評価がたびたび不要な回避行動を引き起こしたが、その後のステップで最小限の影響で是正された。
• わずかに大きなバウンディング半径を必要としたが、ORCA は四脚ロボットにおける頑健性を確保するにあたり、動的特性に特化した適応は不要であることが示された。