[논문 리뷰] Guaranteeing Safety and Liveness of Unmanned Aerial Vehicle Platoons on Air Highways.

Mo Chen, Qie Hu외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 25.

Traffic control and management참고 문헌 22인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 공중 고속도로를 활용한 구조화된 드론 편대 시스템을 제안하며, 비행 경로 최적화를 위해 빠른 이동 방법(fast marching method)을 사용하고, 안전성과 활성 유지 보장을 위해 해밀토니안-자코비 도달 가능성(Hamilton-Jacobi reachability)을 적용한다. 이 시스템은 차량당 고도 범위당 최대 한 번의 안전성 위반을 허용하며, 희귀한 경우에 다중 고도 범위에 걸쳐 안전성을 연장한다. 세 가지 운영 시나리오에 대한 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Recently, there has been immense interest in using unmanned aerial vehicles (UAVs) for civilian operations such as package delivery, aerial surveillance, and disaster response. As a result, UAV traffic management systems are needed to support potentially thousands of UAVs flying simultaneously in the air space, in order to ensure their liveness and safety requirements are met. Currently, the analysis of large multi-agent systems cannot tractably provide these guarantees if the agents' set of maneuvers are unrestricted. In this paper, we propose to have platoons of UAVs flying on air highways in order to impose the air space structure that allows for tractable analysis and intuitive monitoring. For the air highway placement problem, we use the flexible and efficient fast marching method to solve the Eikonal equation, which produces a sequence of air highways that minimizes the cost of flying from an origin to any destination. Within the platoons that travel on the air highways, we model each vehicle as a hybrid system with modes corresponding to its role in the platoon. Using Hamilton-Jacobi reachability, we propose several liveness controllers and a safety controller that guarantee the success and safety of all mode transitions. For a single altitude range, our approach guarantees safety for one safety breach per vehicle; in the unlikely event of multiple safety breaches, safety can be guaranteed over multiple altitude ranges. We demonstrate the satisfaction of liveness and safety requirements through simulations of three common scenarios.

연구 동기 및 목표

• 제한 없는 동작을 허용하는 대규모 드론 교통에서 안전성과 활성 유지 보장을 확보하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 공중 고속도로를 통해 체계적인 천공 구조를 설정하여 다중 에이전트 드론 시스템 분석의 복잡성을 감소시킨다.
• 사전 정의된 경로를 기반으로 한 편대 운영을 통해 안전성과 활성 유지 보장을 신뢰할 수 있게 검증할 수 있도록 한다.
• 드론 편대 운영 중 모드 전환을 신뢰성 있게 보장하는 제어기를 개발한다.
• 패키지 배달 및 재난 대응과 같은 민간 드론 운영에 적합한 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• 기본 목적지에서 출발지까지의 비행 비용을 최소화하는 공중 고속도로 배치를 최적화하기 위해 Eikonal 방정식을 해결하기 위해 빠른 이동 방법(fast marching method)을 사용한다.
• 편대 내 각 드론을 역할(예: 리더, 패러디)에 따라 구분되는 다중 모드를 가진 하이브리드 시스템으로 모델링한다.
• 모드 전환의 성공을 보장하기 위해 활성 유지 제어기를 설계하기 위해 해밀토니안-자코비 도달 가능성(Hamilton-Jacobi reachability)을 적용한다.
• 전환 중 충돌 회피를 보장하기 위해 해밀토니안-자코비 도달 가능성(Hamilton-Jacobi reachability)을 활용한 안전성 제어기를 개발한다.
• 차량당 고도 범위당 최대 한 번의 안전성 위반을 처리할 수 있도록 시스템을 구조화하며, 희귀한 경우에 다중 고도 범위에 걸쳐 안전성을 연장한다.
• 세 가지 일반적인 드론 시나리오의 시뮬레이션을 통해 제안된 제어기의 활성 유지 및 안전성 보장을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 공중 고속도로의 위치를 최적화하여 비행 비용을 최소화하면서도 드론 편대의 분석이 용이하게 할 수 있는가?
• RQ2 드론 편대의 모드 전환 중 활성 유지 보장을 보장하는 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 특히 안전성 위반이 발생할 경우, 차량의 동작 중 안전성이 어떻게 공식적으로 보장될 수 있는가?
• RQ4 이 접근법은 다수의 드론과 복잡한 교통 상황을 다룰 때 어떤 정도의 확장성을 가지는가?
• RQ5 다중 안전성 위반이 발생할 경우 어떤 조건에서 안전성이 유지될 수 있으며, 고도 층 구조는 이를 어떻게 지원하는가?

주요 결과

• 빠른 이동 방법(fast marching method)은 비행 비용을 최소화하면서도 체계적이고 분석 가능한 드론 운영을 가능하게 하는 공중 고속도로를 성공적으로 생성하였다.
• 해밀토니안-자코비 도달 가능성(Hamilton-Jacobi reachability)을 통해 드론 편대 내 모든 모드 전환에 대해 활성 유지 보장을 보장하는 제어기를 설계할 수 있었다.
• 안전성 제어기는 충돌 회피를 보장하며, 차량당 고도 범위당 최대 한 번의 안전성 위반에 대해 공식적인 보장을 제공한다.
• 다중 안전성 위반이 발생하는 경우, 시스템의 계층적 아키텍처 덕분에 다중 고도 범위에 걸쳐 안전성이 유지된다.
• 세 가지 일반적인 시나리오의 시뮬레이션을 통해 제안된 프레임워크 하에서 활성 유지 및 안전성 요구사항이 모두 충족됨을 확인하였다.
• 이 접근법은 패키지 배달 및 감시와 같은 민간 응용 분야에 적합한 확장 가능하고 안전하며 활성 유지 보장이 보장된 드론 운영을 가능하게 한다.