[論文レビュー] Visual Servoing of Unmanned Surface Vehicle from Small Tethered Unmanned Aerial Vehicle

Haresh Karnan, Aritra Biswas+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

Robotics and Sensor-Based Localization参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、小型のアンカー式無人航空機（UAV）を用いて、無人海上艇（USV）の自律的視覚サーボを実現するモータースキーマを提示する。このシステムにより、UAVのカメラがUSVを最小限のパン/チルト運動で追跡可能となる。視覚局所化からの相対位置誤差を用いて、シリアルインターフェース経由でヨーおよびピッチ制御信号を生成し、実験室内で100％の追跡成功率を達成した。感度の正規化値は0.034であった。

ABSTRACT

This paper presents an algorithm and the implementation of a motor schema to aid the visual localization subsystem of the ongoing EMILY project at Texas A and M University. The EMILY project aims to team an Unmanned Surface Vehicle (USV) with an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to augment the search and rescue of marine casualties during an emergency response phase. The USV is designed to serve as a flotation device once it reaches the victims. A live video feed from the UAV is provided to the casuality responders giving them a visual estimate of the USVs orientation and position to help with its navigation. One of the challenges involved with casualty response using a USV UAV team is to simultaneously control the USV and track it. In this paper, we present an implemented solution to automate the UAV camera movements to keep the USV in view at all times. The motor schema proposed, uses the USVs coordinates from the visual localization subsystem to control the UAVs camera movements and track the USV with minimal camera movements such that the USV is always in the cameras field of view.

研究の動機と目的

• 救助活動中のUSVを追跡するためのUAVカメラ制御を自動化すること。
• USVの航行中に手動でのカメラ操作を排除することで、作業者の負担を軽減すること。
• リアルタイムのパン/チルト調整に適した低消費電力で計算効率の高い制御システムを開発すること。
• 測定可能な追跡性能を有する制御環境下でシステムを検証すること。
• 海洋事故発生時における緊急対応を想定したUSV-UAVの自律的チームワークを実現すること。

提案手法

• モータースキーマは、視覚局所化データを用いて、USVとカメラの注目領域（ROI）の中心との間の相対位置誤差 $P$ を計算する。
• 制御は $P > 1$ の場合にのみ有効となり、不要なカメラ移動を最小限に抑える。
• $P$ の符号と大きさに基づいてヨーおよびピッチ指令を生成し、カメラをUSVに向かって誘導する。
• 指令は9600 bpsのUSARTシリアルインターフェースを介してFotokite UAVの地上局に送信される。
• 実時間で実装された固定ゲイン制御則を用い、パン/チルトの速度は0.3 rad/sとした。
• アルゴリズムは、赤色の物体をUSVに見立てた2つの実験用アリーナでテストされ、PTZカメラを装備したアンカー式UAVを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低複雑性のモータースキーマは、アンカー式UAVからの視覚フィードバックを用いて、リアルタイムで移動中のUSVを自動で追跡できるか？
• RQ2 連続的なUSV可視性を維持しつつ、カメラの動きをどれほど低減できるか？
• RQ3 制御環境下で異なる運動プロファイルにさらされた場合、追跡システムの感度と成功率はいかほどか？
• RQ4 手動介入なしで、異なる距離や軌道においても追跡を維持できるか？
• RQ5 実世界のテスト条件下で、応答時間と制御効率はどの程度の性能を示すか？

主な発見

• アリーナ1では13回の試行、アリーナ2では17回の試行において、いずれも100％の追跡成功率を達成し、ターゲットの喪失は一切なかった。
• 全試行における平均感度はアリーナ1で0.6045、アリーナ2で0.4536であり、正規化感度は0.034であった。
• ピッチとヨーの動きはほとんど相補的であり、冗長なカメラ移動を低減し、エネルギー効率を向上させた。
• USVがROIから脱出後数秒以内に制御システムが効果的に反応し、リアルタイムの応答性を示した。
• 急激な動きに対しても、最小限の制御信号でUSVがカメラの視野内に維持された。
• これらの結果は、海洋救助活動におけるUSV支援のためのUAVカメラ追跡を自動化することが実現可能であることを確認した。