[論文レビュー] Composition of Safety Constraints With Applications to Decentralized Fixed-Wing Collision Avoidance.

Eric Squires, Pietro Pierpaoli+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、アクチュエータ制約下での分散型固定翼UAVの衝突回避を目的として、安全制約の合成を用いて複数UAV間の対当たり分離を保証するバリア証明手法を提案する。この手法は、20架のUAVを含むシミュレーションにおいて、名目経路が衝突するおそれがある状況でも、衝突のない飛行を保証する。

ABSTRACT

In this paper we discuss how to construct a barrier certificate for a control affine system subject to actuator constraints and motivate this discussion by examining collision avoidance for fixed-wing unmanned aerial vehicles (UAVs). In particular, the theoretical development in this paper is used to create a barrier certificate that ensures that two UAVs will not collide for all future times assuming the vehicles start in a safe starting configuration. We then extend this development by discussing how to ensure that multiple safety constraints are simultaneously satisfied in a decentralized manner (e.g., ensure robot distances are above some threshold for all pairwise combinations of UAVs for all future times) while ensuring output actuator commands are within specified limits. We validate the theoretical developments of this paper in the simulator SCRIMMAGE with a simulation of 20 UAVs that maintain safe distances from each other even though their nominal paths would otherwise cause a collision.

研究の動機と目的

• 複数の固定翼UAVについて、分散的に衝突のない飛行を保証する課題に対処すること。
• すべてのペアワイズ距離がしきい値を超えるように、複数の安全制約を合成する手法を開発すること。
• 制御入力の制限をバリア証明設計に組み込み、実装可能な制御入力を保証すること。
• 高精度なシミュレーション環境で、20機のUAVを含む大規模な状況において、手法を検証すること。

提案手法

• アクチュエータ制約を受ける制御アフィン系に対してバリア証明を定式化する。
• 個々の安全制約を合成して、同時に満たされる単一の証明に統合するアプローチを用いる。
• 得られた制御指令が指定された出力アクチュエータ制限内に収まるように保証する。
• 各UAVが局所的情報に基づいて自らの制御入力を計算する分散制御アーキテクチャにこの手法を適用する。
• 20機の固定翼UAVを用いたSCRIMMAGE UAVシミュレータを用いて、理論的枠組みを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型UAVシステムにおいて、複数の安全制約をどのように合成すれば、同時にペアワイズ分離が保証されるか？
• RQ2 アクチュエータ制約は、衝突回避のためのバリア証明設計にどのような影響を及えるか？
• RQ3 複数のUAVの衝突回避を保証しつつ、制御入力制限を尊重する単一のバリア証明を構築できるか？
• RQ4 本手法は、分散環境におけるUAV数の増加に対して、どの程度スケーラブルか？

主な発見

• 提案されたバリア証明手法により、将来のすべての時刻において、UAV間のペアワイズ距離が安全なしきい値を超えて保たれることを確認した。
• 手法は、指定された制限内での実装可能なアクチュエータ指令を維持しており、実装可能性が保証された。
• 本手法は、20機までのUAVを含む分散環境においてもスケーラブルかつ効果的であることが示された。
• SCRIMMAGEにおけるシミュレーション結果から、名目経路が衝突するおそれがある状況でも、UAVが衝突を回避することが確認された。