[論文レビュー] View Planning and Navigation Algorithms for Autonomous Bridge Inspection with UAVs

Kevin Yu, Prajwal Shanthakumar+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2019

Robotics and Sensor-Based Localization参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、GPS非利用環境下における全橋梁点検を実現する自律型UAVシステムを提案する。2次元LiDAR、局所ナビゲーションルーチンの切り替えを制御するスーパーバイザー、および最適点検経路を生成するプランナを用いる。本手法により、最小限の飛行時間でボックス・ガーリング・ブリッジを完全にカバー可能であり、実際の橋梁構造を用いたシミュレーションで検証済み。

ABSTRACT

We study the problem of infrastructure inspection using an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in box girder bridge environments. We consider a scenario where the UAV needs to fully inspect box girder bridges and localize along the bridge surface when standard methods like GPS and optical flow are denied. Our method for overcoming the difficulties of box girder bridges consist of creating local navigation routines, a supervisor, and a planner. The local navigation routines use two 2D Lidars for girder and column flight. For switching between local navigation routines we implement a supervisor which dictates when the UAV is able to switch between local navigation routines. Lastly, we implement a planner to calculate the path along that box girder bridge that will minimize the flight time of the UAV. With local navigation routines, a supervisor, and a planner we construct a system that can fully and autonomously inspect box girder bridges when standard methods are unavailable.

研究の動機と目的

• GPSやコンパスデータに依存しない完全な自律型UAVによるボックス・ガーリング・ブリッジ点検を実現すること。
• 2次元LiDARを用いて、ガーリングやコラムに沿った飛行を実現する局所ナビゲーションルーチンの開発。
• 構造的文脈に基づき、LiDARによる構造認識と状態推定をもとに、ナビゲーションルーチンを知的に切り替えるスーパーバイザーの設計。
• 飛行時間の最小化と完全カバーの両立を実現するための最適なルーチン順序を計算するプランナの構築。
• GPS非利用条件下でのシミュレート飛行を用いて、実際の橋梁モデル上でシステムを検証すること。

提案手法

• 2次元LiDARを2台使用し、ガーリングやコラムを検出することで、リアルタイムな相対ナビゲーションを実現。
• 特定の橋梁表面を対象とした局所ナビゲーションルーチン（GL、GR、CU、CD）を定義し、それぞれに専用の制御則を適用。
• LiDARによる構造認識と状態推定に基づき、スーパーバイザーがルーチン間の切り替えタイミングを決定。
• 多角形のプランナ表面から得られる橋梁幾何形状に基づき、全行程のカバーを最適化するためのグローバルTSP（GTSP）ソルバを用いる。
• プランナの入力は、離散化された橋梁モデルから生成され、クラスタが表面セグメントを表し、ノードがカバー方向を示す。
• MAVROSを介してプランナ出力をリアルタイムのUAV制御と統合し、シミュレーション環境で全点検経路の実行を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GPSやコンパスが利用できない状況下で、UAVがどのようにしてボックス・ガーリング・ブリッジを自律的に点検できるか？
• RQ2 2次元LiDARのみを用いて、ガーリングやコラムに沿った安定した飛行を実現するための局所ナビゲーション戦略は何か？
• RQ3 点検中に、ナビゲーションルーチンを動的かつ安全に切り替えるための方法は何か？
• RQ4 グローバルなGPS知識が欠如する状況下で、完全カバーを保証しつつ飛行時間を最小化する経路計画アプローチは何か？
• RQ5 局所ルーチン、スーパーバイザー、グローバルプランナのハイブリッドシステムは、実際の橋梁環境で強固かつ最適な点検を達成できるか？

主な発見

• 本システムは、実際のボックス・ガーリング・ブリッジモデル（11の多角形表面）に対して、完全な点検経路を計画およびシミュレーションに成功。
• GTSPベースのプランナは1.92秒で最適な順序を計算し、最小飛行時間での完全カバーを保証。
• シミュレーションで計画された経路をUAVが実行した結果、緑色ノードでのモード切り替えが正確に発火され、スーパーバイザーの機能性が確認された。
• 飛行データから、ガーリングやコラムに沿った安定したナビゲーションが実現しており、LiDARベースの検出により正確な相対位置決めが可能であった。
• 事前高精度なグローバルマップやGPSを必要とせず、橋梁表面の完全カバーを保証する。
• 本アプローチは他の橋梁タイプへも拡張可能であり、4つのテスト済みルーチン（GL、GR、CU、CD）が、合計8つのルーチンの基盤を形成している。