[논문 리뷰] RMF-Owl: A Collision-Tolerant Flying Robot for Autonomous Subterranean Exploration

Paolo De Petris, Huan X. Nguyen외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 22.

Robotic Path Planning Algorithms인용 수 4

한 줄 요약

RMF-Owl은 GNSS가 제공되지 않으며 장애물이 많은 환경에서 작동하는 충격 내성의 자율 항공 로봇으로, 복잡한 지하 환경에서의 내구성 있는 지하 탐사에 특화되어 있다. 이 로봇은 내장된 정밀한 현장 위치 결정 및 지ap 맵핑 기술과 충격 내성 있는 기구적 프레임, 실시간 물체 탐지 기능을 통합하여, 200미터 이상의 비행 거리와 8.1분 이상의 비행 시간을 기록한 현장 시험을 통해 안전하고 장시간의 자율 탐사를 가능하게 한다.

ABSTRACT

This work presents the design, hardware realization, autonomous exploration and object detection capabilities of RMF-Owl, a new collision-tolerant aerial robot tailored for resilient autonomous subterranean exploration. The system is custom built for underground exploration with focus on collision tolerance, resilient autonomy with robust localization and mapping, alongside high-performance exploration path planning in confined, obstacle-filled and topologically complex underground environments. Moreover, RMF-Owl offers the ability to search, detect and locate objects of interest which can be particularly useful in search and rescue missions. A series of results from field experiments are presented in order to demonstrate the system's ability to autonomously explore challenging unknown underground environments.

연구 동기 및 목표

• 제한된 공간, 복잡한 지형, GNSS가 제공되지 않는 지하 환경에서 자율 탐사를 수행할 수 있는 충격 내성 항공 로봇을 개발하는 것.
• 센서의 열화와 제어 정확도 저하가 발생하더라도 내장된 정밀한 위치 결정 및 지도 작성 기능을 통해 자율성의 내구성을 확보하는 것.
• 지하 환경에서의 구조적 구조나 인명 구조 활동에 활용 가능한 실시간 물체 탐지 및 위치 결정 기능을 통합하는 것.
• 실제 지하 환경(예: 광산 및 시험 갱도)에서의 현장 실험을 통해 시스템 성능을 검증하는 것.

제안 방법

• 좁고 장애물이 많은 통로에서의 비행 동안 충격에 견딜 수 있도록 고정식 프레임과 보호용 케이지가 장착된 맞춤형 충격 내성 기구적 프레임을 채택하였다.
• 내장된 자율 주행 스택은 시각-자이로스코픽 SLAM을 통합하여 실시간 위치 결정 및 지도 작성 기능을 제공하며, GNSS가 제공되지 않는 환경에서도 작동 가능하다.
• 재구성된 지도 기반으로 충돌이 없는 경로를 생성하는 경로 계획 모듈이 있으며, 방문하지 않은 영역 탐색을 우선순위로 한다.
• YOLO 기반의 물체 탐지 파이프라인은 관심 있는 물체를 식별하고 위치를 파악하며, 클래스 확률과 압축된 이미지를 지상 기지로 전송한다.
• 메시 네트워크가 가용할 경우 5GHz WiFi를 사용하여 지도 데이터, 오도메트리, 배터리 상태, 탐지 보고서를 공유한다.
• 현장 배치에서는 내장된 인식 기능, 자율 이륙/착륙, 홈으로 복귀 전략을 조합하여 이륙 지점으로의 안전한 복귀를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 고장이 많고 센서 가용성이 제한된 지하 환경에서 충격 내성의 자율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제한된 공간에서 민첩성과 적재 능력을 훼손하지 않으면서 효과적인 충격 내성 설계 원칙은 무엇인가?
• RQ3 단일 로봇이 복잡한 지하 지형을 자율적으로 탐색하고 지도를 작성하면서도 관심 있는 물체를 탐지하고 위치를 파악할 수 있는가?
• RQ4 GNSS가 제공되지 않으며 센서 성능이 열화된 조건에서 내장된 위치 결정 및 지도 작성 시스템의 정확도 유지 범위는 어느 정도인가?
• RQ5 물체 탐지 기능의 통합은 인명 구조 임무에서 자율 탐사 로봇의 활용도를 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• RMF-Owl은 Løkken 광산에서 자율 탐사 임무를 성공적으로 수행하여 200미터 이상의 비행 거리와 6.6분의 비행 시간을 달성했으며, 2.5미터 미만의 통로를 통과하는 데 성공했다.
• Versuchsstollen Hagerbach 시험 갱도에서는 14미터 너비의 영역을 탐사하여 비행 시간 8.1분, 총 비행 거리 200미터 이상, 최대 속도 1.2m/s를 기록했다.
• 로봇은 완전한 어둠이거나 구조적 혼잡도가 높은 환경에서도 정밀한 시각-자이로스코픽 SLAM 성능을 유지를 하며 정확한 위치 결정과 지도 작성 기능을 수행했다.
• 비행 중 물체 탐지 기능이 성공적으로 구현되었으며, 시스템은 유물과 같은 물체를 식별하고 클래스 확률 및 압축된 이미지를 지상 기지로 전송했다.
• 충격 내성 설계 덕분에 로봇은 탐색 중 여러 차례의 충격에 견디며, 예측 불가능한 지하 환경에서의 내구성을 입증했다.
• 좁은 통로와 넓은 공간을 포함한 다양한 지하 환경에서 안전한 자율 이륙, 탐사, 홈으로 복귀 기능을 성공적으로 수행하여, 내구성과 자율성의 유효성을 입증했다.