[論文レビュー] Recreating Bat Behavior on Quad-Rotor UAVs - A Simulation Approach.

M. Hassan Tanveer, Antony Thomas+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2020

Computer Graphics and Visualization Techniques被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、L-システムを用いて自然な木の環境をモデル化し、簡略化された葉のエコー・シミュレータを用いてコウノトリ型バイソナールセンシングを再現する、コウノトリにインspiredしたクアッドローターユーアヴ（UAV）のシミュレーションフレームワークを提示する。このシステムは、UAVの飛行経路に沿って現実的なインパulse応答を生成し、密集した植生における障害物回避と経路計画の研究を可能にする。

ABSTRACT

We develop an effective computer model to simulate sensing environments that consist of natural trees. The simulated environments are random and contain full geometry of the tree foliage. While this simulated model can be used as a general platform for studying the sensing mechanism of different flying species, our ultimate goal is to build bat-inspired Quad-rotor UAVs- UAVs that can recreate bat's flying behavior (e.g., obstacle avoidance, path planning) in dense vegetation. To this end, we also introduce an foliage echo simulator that can produce simulated echoes by mimicking bat's biosonar. In our current model, a few realistic model choices or assumptions are made. First, in order to create natural looking trees, the branching structures of trees are modeled by L-systems, whereas the detailed geometry of branches, sub-branches and leaves is created by randomizing a reference tree in a CAD object file. Additionally, the foliage echo simulator is simplified so that no shading effect is considered. We demonstrate our developed model by simulating real-world scenarios with multiple trees and compute the corresponding impulse responses along a Quad-rotor trajectory.

研究の動機と目的

• 密集した植生におけるコウノトリに似たナビゲーションを研究するための現実的なシミュレーション環境の構築を目的とする。
• L-システムとCADベースのランダム化を用いて、自然な分岐構造と詳細な葉の配置を持つ複雑な木の幾何学的形状をモデル化することを目的とする。
• 影の効果がないと仮定して、葉からの音波の反射をモデル化することで、コウノトリのエコロケーションを模倣するエコーをシミュレートすることを目的とする。
• クアッドローターユーアヴが、動的でごみだらけの環境において障害物回避や経路計画といったコウノトリの行動を再現できることを目的とする。
• 生物にインスパイアされたセンシングおよび制御アルゴリズムのテストと検証に適した計算的に効率的なプラットフォームを提供することを目的とする。

提案手法

• 木の幾何学的形状は、分岐構造をモデル化するためL-システムを用い、葉の詳細は基準となるCADモデルをランダム化することで生成する。
• 葉のエコー・シミュレータは、音波が木の各部品から反射するのをモデル化することでインパulse応答を生成し、影や遮蔽効果がないと仮定する。
• 複数の木が存在する環境におけるクアッドローターユーアヴの飛行経路を定義し、時間分解能のあるインパulse応答を計算する。
• 環境の幾何学的形状と音響モデリングを統合することで、現実のシナリオにおけるコウノトリに似たバイソナールセンシングを再現する。
• 動的なUAVの運動をサポートし、複雑でランダム化された木の配置におけるエコー・パターンの分析を可能にする。
• 生物にインスパイアされたUAVナビゲーションにおけるさまざまなセンシングおよび制御戦略のテストに適した拡張性を備えたモデルを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然な木の構造は、UAVシミュレーション環境で現実的にモデル化可能か？
• RQ2 簡略化されたエコー・シミュレータは、密集した葉の茂みにおいてどの程度コウノトリに似たバイソナールセンシングを再現できるか？
• RQ3 クアッドローターユーアヴは、複雑でランダム化された木の環境で効果的にナビゲートし、インパulse応答を生成できるか？
• RQ4 密集した植生における異なるUAV飛行経路に沿ってエコー・パターンはどのように変化するか？
• RQ5 シミュレートされた環境は、コウノトリにインスパイアされた障害物回避および経路計画アルゴリズムの開発とテストを支援できるか？

主な発見

• L-システムを用いた木の生成法は、高い幾何学的忠実性を備えた自然な分岐構造を効果的に生成できた。
• 葉のエコー・シミュレータは、UAVの飛行経路に沿って木の部品の空間的分布を反映した時間分解能のあるインパulse応答を生成した。
• シミュレーション・フレームワークは、影の効果を考慮しない状態で、マルチツリー環境における現実的なエコー・パターンの生成を可能にした。
• モデルは、定義されたUAV飛行経路に沿ったインパulse応答の計算をサポートし、ごみだらけの環境における音響センシングの分析を可能にした。
• 本システムは、シミュレートされた密集した植生におけるコウノトリにインスパイアされたナビゲーション戦略のテストに適したスケーラブルで拡張可能なプラットフォームを提供した。
• エコー・モデルにおける影の効果の欠如により、計算が簡略化されたが、初期の行動研究には十分な現実性を維持した。