[論文レビュー] Time Variable Minimum Torque Trajectory Optimization for Autonomous Excavator

Yajue Yang, Jia Pan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2020

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 15被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、物理ベースの土壌-工具相互作用モデルを組み込んだ、キーポイントの位置とそれらの間の時間間隔を同時に最適化する、時間変動型で最小トルクの軌道最適化手法を提案する。この手法により、幾何的・運動的・動的制約を満たしつつ、トルクと時間コストを低減でき、実験では異なる土壌種別において適応的性能を示し、高精度なシミュレータでも良好な追従性能を達成した。

ABSTRACT

In this paper, we present a minimal torque and time variable trajectory optimization method for autonomous excavator considering the soil-tool interaction. The method formulates the excavation motion generation as a trajectory optimization problem and takes into account geometric, kinematic and dynamics constraints. To generate time-efficient trajectory and improve the overall optimization efficiency, we propose a time variable trajectory optimization mechanism so that the time intervals between the keypoints along the trajectory subject to the optimization. As a result, the method uses few keypoints and reduces the total number of optimization variables. We further introduce a soil-tool interaction force model, which considers the geometric shape of the bucket and the physical properties of the soil. The experimental result on a high fidelity dynamic simulator shows our method can generate feasible trajectories, which satisfy excavation task constraints and are adaptive to different soil conditions.

研究の動機と目的

• 掘削中に関節トルクの要求を最小限に抑えるとともに時間効率を確保する軌道最適化フレームワークの開発。
• 変動する土壌状態下でも動的に実行可能で適応可能な掘削運動を生成する課題への対処。
• 密度の高いパrameterizationに代えて、少数のキーポイントと可変時間間隔を用いることで最適化の複雑さを低減。
• バケットの幾何形状と土壌特性（密度、接着性、減衰係数）を考慮した現実的な土壌-工具相互作用力モデルの統合による、軌道の現実性向上。
• キーポイント間の自律的時間割り当てを可能にすることで、最適化の収束性と性能を向上。

提案手法

• 幾何的・運動的・動的制約を満たす軌道最適化問題として掘削運動計画を定式化。
• 少数のキーポイントを最適化変数として用い、固定時間ステップでの線形補間を実施。
• 時間間隔自体を最適化可能な時間変動型メカニズムを導入し、動的時間割り当てを可能に。
• リー群上の再帰的逆運動学的ダイナミクスを用いて、軌道に沿った関節トルクを効率的に計算。
• バケット形状と土壌特性（密度、接着性、減衰係数）を考慮した土壌-工具相互作用力モデルを導入。
• 到達可能性マップに基づく運動学的手法を用いて、最適化の初期実行可能軌道を生成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間変動型の軌道最適化フレームワークは、自律エクスカベータの運動計画においてトルクと時間コストを低減できるか？
• RQ2 キーポイントの位置と時間間隔を同時に最適化することで、固定時間手法に比べて軌道の効率がどのように向上するか？
• RQ3 物理ベースの相互作用モデルを用いることで、本手法はどの程度異なる土壌状態に適応可能か？
• RQ4 モデルの不一致が生じる高精度な動的シミュレータ上でも、最適化された軌道は正常に追従可能か？
• RQ5 スイープ体積制約および方向制約の導入が、軌道の実行可能性と性能にどのように影響するか？

主な発見

• 時間変動型最適化により、固定時間の場合の6.4 sから5.5 sに全軌道期間が短縮され、時間効率が向上した。
• 最適化された軌道は、加速度と時間のバランスを取ることで、総トルクコストを低減し、エネルギー効率の向上を示した。
• 硬い土壌に対しては浅い軌道、柔らかい土壌に対しては深い軌道を生成し、人間の作業者行動と土壌力学の期待に一致した。
• 最適化された軌道はAGXシミュレータ上で正常に追従され、シミュレーションと最適化の両方で一貫した関節トルクプロファイルが得られた。
• 最適化全体を通じて体積制約が満たされ、初期スイープ体積が0.8 m³未満であったため、十分な材料除去が保証された。
• 逆運動学的目的関数は良好に条件付けられており、土壌特性の変化に対しても低トルク解への収束が可能であった。