[論文レビュー] Guaranteeing Safety and Liveness of Unmanned Aerial Vehicle Platoons on Air Highways.

Mo Chen, Qie Hu+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2016

Traffic control and management参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、飛行経路最適化のためのファストマーチング法と、モード遷移における安全・生産性を保証するハミルトニアン・ジョブி到達可能性を用いて、空中高速道路を活用した構造的UAVプラトー二ングシステムを提案する。各高度帯域あたり1回までの安全違反を1機のUAVが許容し、稀なケースでは複数の帯域にわたり安全を維持する。シミュレーションによる3つの運用シナリオの検証により、安全性と生産性が保証されている。

ABSTRACT

Recently, there has been immense interest in using unmanned aerial vehicles (UAVs) for civilian operations such as package delivery, aerial surveillance, and disaster response. As a result, UAV traffic management systems are needed to support potentially thousands of UAVs flying simultaneously in the air space, in order to ensure their liveness and safety requirements are met. Currently, the analysis of large multi-agent systems cannot tractably provide these guarantees if the agents' set of maneuvers are unrestricted. In this paper, we propose to have platoons of UAVs flying on air highways in order to impose the air space structure that allows for tractable analysis and intuitive monitoring. For the air highway placement problem, we use the flexible and efficient fast marching method to solve the Eikonal equation, which produces a sequence of air highways that minimizes the cost of flying from an origin to any destination. Within the platoons that travel on the air highways, we model each vehicle as a hybrid system with modes corresponding to its role in the platoon. Using Hamilton-Jacobi reachability, we propose several liveness controllers and a safety controller that guarantee the success and safety of all mode transitions. For a single altitude range, our approach guarantees safety for one safety breach per vehicle; in the unlikely event of multiple safety breaches, safety can be guaranteed over multiple altitude ranges. We demonstrate the satisfaction of liveness and safety requirements through simulations of three common scenarios.

研究の動機と目的

• 自由な運動を許容する大規模UAV交通において、安全と生産性を保証する課題に取り組む。
• 空中高速道路による空域の構造化により、マルチエージェントUAVシステムの解析の複雑さを低減する。
• 事前に定義された経路に従うプラトー二ング運用により、安全と生産性の保証を容易に検証可能にする。
• UAVプラトー二ング運用中のモード遷移を確実に保証する制御器を開発する。
• パッケージ配達や災害対応など、民間UAV運用に適したスケーラブルなソリューションを提供する。

提案手法

• 出発地から目的地までの飛行コストを最小化する空中高速道路の配置を最適化するため、Eikonal方程式を解くためにファストマーチング法を用いる。
• プラトーに所属する各UAVを、役割（例：リーダー、フォロワー）に応じた異なるモードを持つハイブリッドシステムとしてモデル化する。
• ハミルトニアン・ジョブイ到達可能性を用いて、すべてのモード遷移が成功するよう保証する生産性制御器を設計する。
• ハミルトニアン・ジョブイ到達可能性を用いて安全制御器を開発し、遷移中の衝突回避を保証する。
• 各UAVが各高度帯域あたり1回までの安全違反を許容できるようにシステムを構造化し、稀なケースでは複数の帯域にわたり安全を維持する。
• 提案された制御器の生産性と安全性の保証を検証するため、3つの一般的なUAVシナリオをシミュレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVプラトーの解析を容易にするために、飛行コストを最小化しつつ空中高速道路の配置を最適化する方法は何か？
• RQ2 UAVプラトーにおけるモード遷移の生産性を保証するための制御戦略は何か？
• RQ3 特に安全違反が発生する状況下でも、安全を形式的に保証する方法は何か？
• RQ4 本手法は、多数のUAVや複雑な交通シナリオを扱う上で、どの程度スケーラブルか？
• RQ5 複数回の安全違反が発生しても、どのような条件下で安全が維持可能であり、高度レイヤー構造はその支援にどのように寄与するか？

主な発見

• ファストマーチング法により、飛行コストを最小化しつつ、構造的かつ解析可能なUAV運用を可能にする空中高速道路の生成に成功した。
• ハミルトニアン・ジョブイ到達可能性を用いることで、UAVプラトー内でのすべてのモード遷移に対して生産性を保証する制御器の設計が可能になった。
• 安全制御器により衝突回避が保証され、各UAVが各高度帯域あたり1回までの安全違反についても形式的保証が得られた。
• 複数の安全違反が発生するケースでも、システムのレイヤードアーキテクチャのおかげで、複数の高度帯域にわたり安全が維持された。
• 3つの一般的なシナリオのシミュレーションにより、提案されたフレームワーク下で生産性と安全性の要件が両方満たされていることが確認された。
• 本手法により、パッケージ配達や監視など、民間用途に適したスケーラブルで安全かつ生産性保証型のUAV運用が可能になった。