[論文レビュー] Technical Report: Safe, Aggressive Quadrotor Flight via Reachability-based Trajectory Design

Shreyas Kousik, Patrick Holmes+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、軌跡に依存する追従誤差をゾノトープを用いてモデル化することで、複雑な環境における安全で攻撃的な飛行を可能にする、マルチローター向けの到達可能性に基づく軌道設計（RTD）フレームワークを提示する。この手法は事前に前方到達集合（FRS）を計算し、オンラインでリアルタイムに衝突のない軌道を選択する。5 m/sの速度まで達する500回のシミュレーションでゼロクラッシュを達成し、均一な障害物拡張よりも効率が向上した。

ABSTRACT

Quadrotors can provide services such as infrastructure inspection and search-and-rescue, which require operating autonomously in cluttered environments. Autonomy is typically achieved with receding-horizon planning, where a short plan is executed while a new one is computed, because sensors receive limited information at any time. To ensure safety and prevent robot loss, plans must be verified as collision free despite uncertainty (e.g, tracking error). Existing spline-based planners dilate obstacles uniformly to compensate for uncertainty, which can be conservative. On the other hand, reachability-based planners can include trajectory-dependent uncertainty as a function of the planned trajectory. This work applies Reachability-based Trajectory Design (RTD) to plan quadrotor trajectories that are safe despite trajectory-dependent tracking error. This is achieved by using zonotopes in a novel way for online planning. Simulations show aggressive flight up to 5 m/s with zero crashes in 500 cluttered, randomized environments.

研究の動機と目的

• 動的不確実性が存在する中で、未知の複雑な環境において自律的かつ攻撃的な飛行を可能にすること。
• 追従誤差を補償するために均一な障害物拡張を用いるスプラインベースのプランナの限界を解消すること。
• 高次元状態空間を有する3次元マルチローター動力学への到達可能性に基づく軌道設計（RTD）の拡張。
• 制御入力および軌道形状に依存する軌道に依存する追従誤差を、各イテレーションで到達集合を再計算せずにリアルタイム計画に統合すること。
• 攻撃的な飛行条件下での大規模シミュレーションを通じて、本手法の有効性を実証すること。

提案手法

• 本手法は、位置、速度、姿勢、角速度を含む13次元状態ベクトルを用いて、3次元マルチローター動力学にRTDを拡張する。
• ゾノトープ到達可能性を用いて、すべての可能な軌道とその追従誤差の和集合を表す前方到達集合（FRS）を、和の平方（SOS）プログラミングを用いて事前に計算する。
• 制御入力およびシステムダイナミクスに基づいて、軌道に依存する追従誤差の新しい近似を導出し、これをFRSに組み込むことで現実的な不確実性を反映する。
• FRSを軌道パラメータ空間に投影し、パラメータ空間における障害物との交差をチェックすることで、オンラインで安全な軌道選択が可能になる。
• 各計画イテレーションにおいて、コスト関数（例：前方の見通しウェイポイントまでの距離）を最小化するように軌道を選択するが、同時に全到達集合が障害物を避けることを保証する。
• FRSを各イテレーションで再計算せず、事前にオフラインで計算し、リアルタイムでの安全な軌道選択のための照会構造として使用することで、再計算を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高次元で3次元のマルチローター動力学に、ゾノトープに基づく到達可能性を効果的に適用し、軌道に依存する不確実性をモデル化できるか？
• RQ2 軌道に依存する追従誤差を組み込むことで、均一な障害物拡張と比較して計画の効率が向上し、過剰な保守的設計が軽減されるか？
• RQ3 提案されたRTDフレームワークは、複雑でランダムな環境において、リアルタイムかつ安全な軌道計画を5 m/sの攻撃的飛行速度で可能にするか？
• RQ4 本手法は、クラッシュを伴わず、高い速度でのナビゲーションを維持する中で、安全保証をどの程度保持できるか？
• RQ5 FRSのオフライン計算は、各計画ステップで到達集合を再計算せずに、リアルタイム性能を維持するためにオンラインで再利用可能か？

主な発見

• 提案手法は、障害物と12 mのセンサーホライズンを有する500回のランダムで複雑な環境において、ゼロクラッシュを達成した。
• 軌道に依存する追従誤差を用いることで、ゴールに到達した試行は91.2%に達したが、定数の0.1 mの追従誤差を用いた場合の84.8%よりも優れた性能を示した。
• 本手法は、厳密な到達可能性解析を用いて、5 m/sまでの攻撃的飛行速度を維持しながらも安全を確保した。
• ゾノトープ到達可能性の使用により、13次元状態空間におけるFRSの計算が可能になり、本手法のフルマルチローター動力学への適用可能性が著しく向上した。
• FRSのオフライン計算により、各イテレーションで到達集合を再計算せず、リアルタイムでのオンライン計画が可能となり、計算の実行可能性が保証された。
• シミュレーション結果は、軌道に依存する不確実性を組み込むことで、均一な障害物拡張と比較して保守的設計が軽減され、より攻撃的で現実的な軌道が得られることを確認した。