[論文レビュー] Safe Platooning of Unmanned Aerial Vehicles via Reachability

Mo Chen, Qie Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 23被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、一列縦隊の形で編成された無人航空機（UAV）の安全なプラトーニングのための到達可能性に基づく制御フレームワークを提案する。UAVをハイブリッドシステムとしてモデル化し、ハミルトニアン・ジャコビ（HJ）到達可能性を活用することで、ミッション目標のためのライブネス制御と衝突防止のためのセーフティ制御を合成し、単一のセーフティ違反が発生しても安全を保証する。シミュレーションにより、プラトーんの移動、故障、侵入者との遭遇などの状況を検証した。

ABSTRACT

Recently, there has been immense interest in using unmanned aerial vehicles (UAVs) for civilian operations such as package delivery, firefighting, and fast disaster response. As a result, UAV traffic management systems are needed to support potentially thousands of UAVs flying simultaneously in the airspace, in order to ensure their liveness and safety requirements are met. Hamilton-Jacobi (HJ) reachability is a powerful framework for providing conditions under which these requirements can be met, and for synthesizing the optimal controller for meeting them. However, due to the curse of dimensionality, HJ reachability is only tractable for a small number of vehicles if their set of maneuvers is unrestricted. In this paper, we define a platoon to be a group of UAVs in a single-file formation. We model each vehicle as a hybrid system with modes corresponding to its role in the platoon, and specify the set of allowed maneuvers in each mode to make the analysis tractable. We propose several liveness controllers based on HJ reachability, and wrap a safety controller, also based on HJ reachability, around the liveness controllers. For a single altitude range, our approach guarantees safety for one safety breach; 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

• 数千台のUAVを含む大規模なUAV交通において、安全とライブネスを確保する課題に取り組む。
• ハミルトニアン・ジャコビ（HJ）到達可能性における次元の呪いを、UAVを一列縦隊に構造化することで克服する。
• UAVの役割と行動を捉えるハイブリッドシステムモデルを構築し、到達可能性解析を実行可能にする。
• プラトー形成と再編成のためのライブネス制御を合成し、衝突を防止するセーフティ制御を統合する。
• 単一の高度範囲を用いて、単一のセーフティ違反が発生しても安全を保証できることを示し、複数の違反が発生する場合には高度レイヤーを用いて拡張可能であることを示す。

提案手法

• 各UAVを、プラトー内での役割（リーダー、フォロワーなど）に対応するモードを有するハイブリッドシステムとしてモデル化する。
• 各モードに対して制限された行動集合を定義し、システムの複雑さを低減し、HJ到達可能性の計算が実行可能になるようにする。
• HJ到達可能性を用いて、セーフティとライブネスの目的のための後向き到達集合を計算し、制御の合成を可能にする。
• HJ到達可能性を用いて、期待される状態（例：プラトー形成）へ向かってUAVを誘導するライブネス制御を設計する。
• ライブネス制御の周囲にセーフティ制御をラッピングし、HJ到達可能性を用いて危険な状態（例：衝突）を回避することを保証する。
• 一列縦隊の構造を活用して、HJ到達可能性から得られるペアワイズセーフティ保証を、全プラトーに適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HJ到達可能性は、次元の呪いの影響を受ける大規模なUAVプラトーに効果的に適用可能か？
• RQ2 構造化されたプラトー編成は、到達可能性解析の計算負荷を低減しつつも、セーフティ保証を維持できるか？
• RQ3 UAVプラトーにおいて、ライブネス（プラトー形成）とセーフティ（衝突回避）を両立させる制御アーキテクチャは何か？
• RQ4 故障したUAVや侵入者などの単一のセーフティ違反が発生した場合、セーフティはどのように維持されるか？
• RQ5 複数の同時発生するセーフティ違反が発生した場合、複数の高度範囲でセーフティを保証できるか？

主な発見

• 提案されたフレームワークは、単一の高度範囲を用いて、1つのセーフティ違反が発生しても安全を保証し、プラトー状況下での衝突回避を実現した。
• 複数のセーフティ違反が発生した場合には、複数の高度レイヤーを活用することでセーフティを維持でき、このアプローチの適用範囲を拡張可能であることを示した。
• シミュレーションにより、プラトーの形成、故障したUAVに起因する故障後の再編成（例：方向転換）、外部の侵入者からの回避が成功したことを確認した。
• Q4やQ5のような後続のUAVは、故障したUAVを避けるためにセーフティ制御に切り替え、脅威が解消された後、再びプラトーに再編入した。
• 侵入者シナリオにおいて、セーフティ制御が、潜在的脅威の安全到達集合の外にUAVが残留することを保証することで、衝突を効果的に防止した。
• HJ到達可能性の使用により、非線形かつ非凸なシステムに対しても、正確で形式的なセーフティ保証が可能であることが、クアドロトロプの動的シミュレーションにより検証された。