[논문 리뷰] On-board Range-based Relative Localization for Micro Aerial Vehicles in indoor Leader-Follower Flight

Steven van der Helm, Kimberly McGuire외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 18.

Robotics and Sensor-Based Localization참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 마이크로 항공기(MAV)를 위한 헤딩에 의존하지 않는, 현장 내에서 상대적 위치를 측정하는 온보드 범위 기반 국소화 시스템을 제안한다. 초광대역(UWB)을 사용하여 드론 간의 거리와 운동을 측정하며, 자석계에 의존하지 않고 자기장 간섭에도 강건한 성능을 보이며, 실내 환경에서 자율적인 리더-팔로워 비행을 가능하게 한다. 평균 국소화 오차는 22.6 cm, 궤적 추적 오차는 200초 동안 50.8 cm를 기록한다.

ABSTRACT

We present a range-based solution for indoor relative localization by Micro Air Vehicles (MAVs), achieving sufficient accuracy for leader-follower flight. Moving forward from previous work, we removed the dependency on a common heading measurement by the MAVs, making the relative localization accuracy independent of magnetometer readings. We found that this restricts the relative maneuvers that guarantee observability, and also that higher accuracy range measurements are required to rectify the missing heading information, yet both disadvantages can be tackled. Our implementation uses Ultra Wide Band, for both range measurements between MAVs and sharing their velocities, accelerations, yaw rates, and height with each other. We used this on real MAVs and performed leader-follower flight in an indoor environment. The follower MAVs could follow the leader MAV in close proximity for the entire durations of the flights. The followers were autonomous and used only on-board sensors to track and follow the leader.

연구 동기 및 목표

• 외부 항법 시스템이나 일반적인 헤딩 기준에 의존하지 않고 실내 환경에서 자율적인 리더-팔로워 비행을 가능하게 하기 위해.
• 공통 헤딩 기준이 필요 없도록 하여 자석계에 대한 의존도를 제거함으로써 자기장 간섭에 대한 강건성을 향상시키기 위해.
• 온보드 UWB 거리 측정 및 운동 측정 데이터만을 사용하여 관측 가능성과 정확도를 유지하는 상대적 국소화 방법을 개발하기 위해.
• 1명의 리더 MAV와 1명 또는 2명의 팔로워가 참여하는 실제 비행 실험을 통해 시스템의 실현 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• MAV 간의 정밀한 시선 간 거리 측정을 위해 초광대역(UWB) 라디오 모듈을 사용한다.
• 각 MAV는 UWB 통신을 통해 주변 드론과 자신의 속도, 가속도, 요속도, 고도를 추정하고 공유한다.
• 공통 헤딩 기준이 필요 없이, 거리 및 운동 데이터를 이용해 확장 칼만 필터(EKF)를 적용하여 상대적 위치를 추정한다.
• 시간 지연이 있는 추적 전략을 설계하여, 관측 불가능한 운동 구성이 발생하는 것을 방지한다.
• 각 MAV가 자체 센서 데이터를 처리하고 필요한 상태 정보만을 교환하는 탈중앙화된 온보드 국소화 프레임워크를 구현한다.
• UWB 거리 측정값과 관성 운동 데이터를 융합하는 상대 상태 추정 모델을 사용하여, 센서 드리프트에도 불구하고 정확도를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헤딩에 의존하지 않는 상대적 국소화 시스템이 실내 환경에서 자율적인 리더-팔로워 비행을 위해 충분한 정확도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 공통 헤딩 기준이 없는 경우 MAV의 상대적 국소화에서 관측 가능성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 상대적 국소화에서 헤딩 정보를 상실한 상황을 보완하기 위해 필요한 거리 측정 정확도는 어느 정도인가?
• RQ4 외부 인프라 없이 UWB와 관성 측정값만을 사용하여 실시간 온보드 상대적 국소화를 달성할 수 있는가?
• RQ5 단일 리더에 대해 다수의 팔로워가 추적할 경우 시스템 성능은 어떻게 되며, 확장성의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 온보드 센서만을 사용하여 200초 동안 연속적인 리더-팔로워 비행 중 평균 상대적 국소화 오차가 22.6 cm를 기록하였다.
• 궤적 추적 오차는 50.8 cm로 측정되어 실제 비행에서 자율적 팔로잉 행동의 실현 가능성을 입증하였다.
• 동일한 리더를 따라 두 명의 팔로워가 비행하는 데 성공하여, 단일 팔로워 시나리오를 초월한 확장성의 가능성을 확인하였다.
• 두 번째 팔로워를 추가할 경우 업데이트 레이트가 25 Hz에서 16 Hz로 감소하여, 통신 오버헤드가 주요 병목 현상임을 시사하였다.
• 시뮬레이션 결과, 자석계 기반 방법은 자기장 간섭에 매우 민감한 반면, 제안된 방법은 여전히 강건함을 입증하였다.
• 시간 지연이 있는 추적 상황에서도 시스템이 관측 가능하며, 이로 인해 성능이 악화되는 관측 불가능한 운동 패tern을 피할 수 있었다.