[論文レビュー] Robust and Efficient Quadrotor Trajectory Generation for Fast Autonomous Flight

Boyu Zhou, Fei Gao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 22被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、複雑な3次元環境における高速な自律的マルチローター飛行のための、頑健で効率的なオンラインモーションプランニングシステムを提示する。運動力学的パスサーチとBスプライン最適化を組み合わせ、凸包の性質と反復的時間調整を活用して、3ms未塔で滑らかで動的実行可能かつ攻撃的な軌道を生成する。これは、速度と成功確率の面で従来手法を著しく上回っている。

ABSTRACT

In this paper, we propose a robust and efficient quadrotor motion planning system for fast flight in 3-D complex environments. We adopt a kinodynamic path searching method to find a safe, kinodynamic feasible and minimum-time initial trajectory in the discretized control space. We improve the smoothness and clearance of the trajectory by a B-spline optimization, which incorporates gradient information from a Euclidean distance field (EDF) and dynamic constraints efficiently utilizing the convex hull property of B-spline. Finally, by representing the final trajectory as a non-uniform B-spline, an iterative time adjustment method is adopted to guarantee dynamically feasible and non-conservative trajectories. We validate our proposed method in various complex simulational environments. The competence of the method is also validated in challenging real-world tasks. We release our code as an open-source package.

研究の動機と目的

• 複雑で動的変化の激しい環境における高速な自律的マルチローター飛行のための、頑健で効率的な軌道生成の不足を解消すること。
• 従来手法における保守的動的制約とヒューリスティックな時間割り当ての限界を克服すること。
• 計算制約とリアルタイム制約が厳しい中で、高速で動的実行可能かつ滑らかな軌道を生成すること。
• 未知または急激に変化する環境において繰り返し再計画が可能な高成功率と低計算時間の実現。
• 最適化された時間割り当てを通じて、安全で動的実行可能でありながら非保守的で攻撃的な運動を維持すること。

提案手法

• 離散化された制御空間におけるヒューリスティックベースの運動力学的パスサーチを用いて、安全で最小時間の初期軌道を生成する。
• ユークリッド距離場と動的制約からの勾配情報を効率的に組み込むために、凸包の性質を活用したBスプライン最適化を適用する。
• 最終的な軌道を非一様Bスプラインとして表現することで、時間割り当ての柔軟性と動的実行可能性を実現する。
• 制御点の微分と時間割り当てを結びつける反復的時間調整法を開発し、非保守的で速度と加速度のプロファイルを可能にする。
• 効率性と収束性を高めるために、フロントエンドのパスサーチとバックエンドの非線形軌道最適化の2段階パイプラインを採用する。
• 勾配ベースの最適化とBスプライン構造を統合することで、収束の加速と滑らかさ・クリアランスの向上を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動計画システムは、複雑な3次元環境における高速マルチローター飛行に対して、リアルタイムで安全で動的実行可能かつ攻撃的な軌道を生成できるか？
• RQ2 凸包の性質を活用することで、Bスプライン最適化の収束速度と軌道品質をどのように向上させられるか？
• RQ3 非一様Bスプラインにおける制御点の微分と時間割り当ての関係は、動的実行可能性にどのように寄与するか？
• RQ4 反復的時間調整法は、保守的制約を排除しながらも動的実行可能性を維持し、軌道の攻撃性を向上させられるか？
• RQ5 勾配ベースまたはヒューリスティック手法と比較して、提案手法は計算時間、成功率、滑らかさの面でどのように性能を発揮するか？

主な発見

• 提案手法は3ms未塔で収束を達成し、最良ケースではわずか1msの計算時間で、従来の勾配ベース手法（10ms）を著しく上回っている。
• 二乗ジャerkの積分値は平均で18%低減（35.932 vs. 43.913）され、滑らかさの優位性が示された。
• 本手法は、高い成功率で複雑なシミュレーテッド環境において軌道を生成し、攻撃的な速度プロファイル下でも動的実行可能性を維持した。
• 実世界の自律飛行実験では、5mの視認半径での未知で複雑な環境において、平均速度1.3m/s、最大速度1.7m/sを達成した。
• 急なゴール変更を伴う攻撃的飛行実験では、システムが迅速に再計画を行い、滑らかで連続的な運動を維持した。これはリアルタイムでの頑健性を示している。
• 反復的時間調整法は、保守的でない速度と加速度制約を効果的に回避し、非保守的でありながらも動的実行可能な軌道を可能にした。