[論文レビュー] On-board Range-based Relative Localization for Micro Aerial Vehicles in indoor Leader-Follower Flight

Steven van der Helm, Kimberly McGuire+2 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2018

Robotics and Sensor-Based Localization参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、マイクロエアロダイアルビークル（MAVs）のための、ヘディングに依存しない、オンボード型の距離ベース相対位置特定システムを提示する。Ultra Wide Band（UWB）を用いてドローン間の距離および運動を測定する。この手法により、磁力計に依存せず、磁気干渉に強く、屋内環境における自律的リーダーフォロワー飛行を実現し、200秒間の飛行で平均位置特定誤差22.6 cm、軌道追従誤差50.8 cmを達成した。

ABSTRACT

We present a range-based solution for indoor relative localization by Micro Air Vehicles (MAVs), achieving sufficient accuracy for leader-follower flight. Moving forward from previous work, we removed the dependency on a common heading measurement by the MAVs, making the relative localization accuracy independent of magnetometer readings. We found that this restricts the relative maneuvers that guarantee observability, and also that higher accuracy range measurements are required to rectify the missing heading information, yet both disadvantages can be tackled. Our implementation uses Ultra Wide Band, for both range measurements between MAVs and sharing their velocities, accelerations, yaw rates, and height with each other. We used this on real MAVs and performed leader-follower flight in an indoor environment. The follower MAVs could follow the leader MAV in close proximity for the entire durations of the flights. The followers were autonomous and used only on-board sensors to track and follow the leader.

研究の動機と目的

• 外部ナビゲーションシステムや一般的なヘディング基準に依存せずに、屋内環境における自律的リーダーフォロワー飛行を可能にすること。
• 共通のヘディングフレームの必要性を排除することで磁力計への依存を解消し、磁気干渉に対してより高い耐性を発揮すること。
• オンボードのUWB距離測定および運動データのみを用いて、観測可能性と精度を維持する相対位置特定手法を開発すること。
• 1体および2体のフォロワーがリーダーMAVを追従する実飛行実験を通じて、システムの実現可能性を検証すること。

提案手法

• ドローン間の正確な視線内距離測定に、Ultra Wide Band（UWB）ラジオモジュールを用いる。
• 各MAVは、自らの速度、加速度、ヨー速度、高度を、UWB通信により隣接するMAVと共有する。
• 共通のヘディング基準を必要とせず、距離および運動データを用いて相対位置を推定するため、拡張カルマンフィルタ（EKF）を採用する。
• 時間遅延を伴う追従制御戦略を設計し、観測不能な運動状態を回避することで、フォロワーがリーダーの軌道を追従可能にする。
• 各MAVが自らのセンサデータを処理し、必要な状態情報のみを通信する分散型でオンボードの位置特定フレームワークを実装する。
• UWB距離測定とインertial運動データを融合する相対状態推定モデルを設計し、センサのドリフトに対しても精度を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘディングに依存しない相対位置特定システムは、屋内環境における自律的リーダーフォロワー飛行に十分な精度を達成できるか？
• RQ2 共通のヘディング基準が欠如している場合、MAVにおける相対位置特定の観測可能性および安定性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 相対位置特定においてヘディング情報の喪失を補うために、どの程度の距離測定精度が求められるか？
• RQ4 外部インfraストラクチャなしに、UWBおよびインエラス測定のみを用いてリアルタイムでオンボード相対位置特定が可能か？
• RQ5 複数のフォロワーが1体のリーダーを追従する場合、システムの性能はどのようになるか。スケーラビリティの限界は何か？

主な発見

• 本システムは、オンボードセンサのみを用いて200秒間の連続リーダーフォロワー飛行において、平均相対位置特定誤差22.6 cmを達成した。
• 軌道追従誤差は50.8 cmであった。これは、実飛行における自律的フォロワー行動の実現可能性を示している。
• 本手法は、1体のリーダーを2体のフォロワーが追従する状況でも正常に動作し、単一フォロワーのシナリオを超えたスケーラビリティを確認した。
• 2体目のフォロワーを追加した際、更新レートは25 Hzから16 Hzに低下した。これは通信オーバーヘッドが主なボトルネックであることを示している。
• シミュレーションでは、磁力計ベースの手法が磁気干渉に対して極めて感受性が高く、本手法は依然として高い耐性を示した。
• 時間遅延を伴う追従においても、システムは観測可能であり、性能を低下させる観測不能な運動パターンを回避できた。