[論文レビュー] UWB-Based Localization for Multi-UAV Systems and Collaborative Heterogeneous Multi-Robot Systems: a Survey

Wang Shule, Carmen Martínez Almansa+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2020

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 59被引用数 5

ひとこと要約

本調査は、多機UAVおよび異種多ロボットシステムにおけるUWBベースの局所化について、最初の包括的レビューを提供する。主な焦点は、アドホック展開、協調的局所化、UAVドッキングなどの協調的行動である。GNSS不可環境下でのUWBの高い精度（数センチメートル）と、産業的・緊急対応用途におけるモーションキャプチャシステムの代替可能性が強調されている。

ABSTRACT

Ultra-wideband technology has emerged in recent years as a robust solution for localization in GNSS denied environments. In particular, its high accuracy when compared to other wireless localization solutions is enabling a wider range of collaborative and multi-robot application scenarios, being able to replace more complex and expensive motion-capture areas for use cases where accuracy in the order of tens of centimeters is sufficient. We present the first survey of UWB-based localization focused on multi-UAV systems and heterogeneous multi-robot systems. We have found that previous literature reviews do not consider in-depth the challenges in both aerial navigation and navigation with multiple robots, but also in terms of heterogeneous multi-robot systems. In particular, this is, to the best of our knowledge, the first survey to review recent advances in UWB-based (i) methods that enable ad-hoc and dynamic deployments; (ii) collaborative localization techniques; and (iii) cooperative sensing and cooperative maneuvers such as UAV docking on mobile platforms. Finally, we also review existing datasets and discuss the potential of this technology for both localization in GNSS-denied environments and collaboration in multi-robot systems.

研究の動機と目的

• 多機UAVおよび異種多ロボットシステムにおけるUWBベースの局所化に焦点を当てた包括的レビューが不足しているという問題に対処すること。
• GNSS不可環境下における航空機ナビゲーションおよび多ロボット協調の特有の課題を調査すること。
• アドホックおよび動的展開、協調的局所化、協調的センシング／行動に関するUWB分野における最近の進展を分析すること。
• 既存のデータセットをレビューし、UWBがロボット分野における高精度・低コストの局所化に果たす可能性を評価すること。
• 自律的多ロボットシステムにおけるUWB統合に関する未解決の研究課題と技術的ギャップを特定すること。

提案手法

• 2014年から2020年までの多機UAVおよび異種多ロボットシステムにおけるUWBベースの局所化に関する体系的文献レビュー。
• UWB局所化技術を固定アンカー、協調的、モバイルアンカーの構成に分類すること。
• センチメートルレベルの精度を実現するための時間差到達（ToF）および双方向距離測定（TWR）プロトコルを用いたUWB距離測定の分析。
• 拡張カルマンフィルタ（EKF）を用いたUWBと慣性計測装置（IMU）の融合手法の評価。
• 実世界の実装の調査として、Crazyflieドローンに搭載されたLoco Positioning DeckおよびDecawave社のDRTLSシステムを含む。
• データセットのレビューとして、複数のアンカー構成を用いた手動および自律飛行、商業用デフォルトより改善されたアンカーキャリブレーションを含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GNSS不可環境下における多機UAVシステムへのUWBベースの局所化の展開における主な課題は何か？
• RQ2 UWBは、移動プラットフォーム上でのUAVドッキングなどの協調的局所化および協調的行動をどのように可能にするか？
• RQ3 多ロボットシステムにおける異なるUWBアンカー構成の性能のトレードオフと精度向上は何か？
• RQ4 コスト、スケーラビリティ、精度の観点から、UWBベースの局所化はモーションキャプチャシステムと比べてどう異なるか？
• RQ5 特に動的およびアドホック展開において、異種多ロボットシステムにおけるUWB統合に関する未解決の研究ギャップは何か？

主な発見

• UWBベースの局所化は、デシメートルからセンチメートルレベルの精度を達成しており、GNSS不可環境下でのモーションキャプチャシステムの代替として実用的である。
• 1台のロボットに複数のUWBトランシieverを搭載することで、相対位置推定に加え、幾何的距離測定を用いたオイエンテーション追跡が可能になる。
• UWBを用いた協調的局所化は、深層強化学習を用いた編隊制御および多ロボット衝突回避の両方で成功裏に実証されている。
• Peña Queraltaらのデータセットは、現在までで最も包括的であり、複数のアンカー構成と、商業用デフォルトより改善されたキャリブレーションを施した自律飛行を含む。
• Nguyenらの研究で示されたように、UWBは移動プラットフォーム上でのUAVドッキングを高精度で可能にするが、最終的なドッキングにはビジョンとマーカー依存である。
• 最近の商業用モジュールでは、視線内通信が最大60メートルまで可能であり、多ロボットシステムの広域展開を可能としている。