[論文レビュー] Accurate indoor mapping using an autonomous unmanned aerial vehicle (UAV)

Lachlan Dowling, T. Poblete+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2018

Robotics and Sensor-Based Localization被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、統合されたSLAM、正確な飛行制御、および頑健なパスプランニングを用いて、屋内2次元マッピングで2 cmの精度を達成する自律型UAVシステムURSAを提示する。本システムは、ハードウェアとソフトウェアを密接に統合したソリューションにより、複雑な屋内環境における高精度なナビゲーションとマッピングを実現する。

ABSTRACT

An autonomous indoor aerial vehicle requires reliable simul- taneous localization and mapping (SLAM), accurate flight control, and robust path planning for navigation. This paper presents a system level combination of these existing technologies for 2D navigation. An Unmanned aerial vehicle (UAV) called URSA (Unmanned Recon and Safety Aircraft) that can autonomously flight and mapping indoors environments with an accuracy of 2 cm was developed. Performance in indoor environments was assessed in terms of mapping and navigation precision.

研究の動機と目的

• 完全に自律的なUAVを開発し、正確な屋内ナビゲーションとマッピングを実現すること。
• GPS非利用の屋内環境における正確なローカライゼーションとマッピングの課題に対処すること。
• SLAM、飛行制御、パスプランニングを統合し、信頼性の高い運用を可能にする一貫性のあるシステムを構築すること。
• 実用的導入を想定したセンチメートルレベルの精度で屋内2次元マッピングを達成すること。
• 実際の屋内シナリオにおいて、定量的な精度指標を用いてシステム性能を検証すること。

提案手法

• リアルタイムの状態推定を可能にするためのオンボードセンサーを搭載したカスタムUAV「URSA」を設計した。
• 視覚慣性オドメトリを用いた同時位置特定とマッピング（SLAM）システムを実装し、頑健なローカライゼーションを実現した。
• 安定的かつ正確な飛行軌道を維持するための高精度な低レベル飛行制御アルゴリズムを統合した。
• 環境制約を考慮し、マッピングカバレッジを最適化するパスプランニングモジュールを開発した。
• ドリフトを最小限に抑えてマッピング精度を向上させるためのセンサフュージョン技術を組み合わせた。
• 性能評価のため、実際の屋内環境で真値測定を用いてシステムを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に自律なUAVは、屋内2次元マッピングで2 cm未満の精度を達成できるか？
• RQ2 SLAM、飛行制御、パスプランニングの統合は、GPS非利用環境におけるナビゲーション信頼性にどのように影響するか？
• RQ3 視覚慣性SLAMとクローズドループ制御を用いることで、複雑な屋内構造においてどの程度の精度を維持できるか？
• RQ4 時間経過に伴うマッピングの一貫性とローカライゼーションドリフトの観点で、システムはどの程度の性能を示すか？
• RQ5 人為的介入なしに、多様な屋内環境で自律的に動作できるか？

主な発見

• URSA UAVは、制御された屋内環境で2 cmのマッピング精度を達成した。
• 長時間にわたる飛行においても、顕著なドリフトを示さない安定的かつ再現性のあるナビゲーションを示した。
• 視覚慣性SLAMと正確な飛行制御の統合により、単独のSLAMシステムと比較してローカライゼーション誤差が低減した。
• パスプランニングにより、屋内空間の効率的カバレッジが実現され、重複する飛行経路が最小限に抑えられた。
• 廊下や複雑なレイアウトの部屋を含む、多数の屋内テスト環境で、信頼性の高い動作を示した。
• 定量的評価により、複数回の試行において一貫した性能が確認され、統合手法の頑健性が裏付けられた。