[논문 리뷰] Robust Sequential Path Planning Under Disturbances and Adversarial Intruder

Mo Chen, Somil Bansal외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 25.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 교란과 적대적 침입자 존재 하에서 다중 차량 경로 계획의 타당성과 증명 가능 안전성을 보장하기 위해 차량 간 엄격한 우선순위 순서를 부여하는 강건한 순차적 경로 계획(robust sequential path planning, SPP)을 제안한다. 해밀턴-자비(Hamilton-Jacobi) 접근 가능성 기반으로 공간-시간 영역을 사전 확보함으로써 SPP는 동적 타당성, 충돌 회피, 목표 달성을 보장하며, 계산 복잡도는 비침입자 존재 시 선형적(선형), 한 명의 침입자 존재 시 이차적(이차)으로 증가하여 비선형 차량 역학에서 실용적인 구현이 가능하다.

ABSTRACT

Provably safe and scalable multi-vehicle path planning is an important and urgent problem due to the expected increase of automation in civilian airspace in the near future. Although this problem has been studied in the past, there has not been a method that guarantees both goal satisfaction and safety for vehicles with general nonlinear dynamics while taking into account disturbances and potential adversarial agents, to the best of our knowledge. Hamilton-Jacobi (HJ) reachability is the ideal tool for guaranteeing goal satisfaction and safety under such scenarios, and has been successfully applied to many small-scale problems. However, a direct application of HJ reachability in most cases becomes intractable when there are more than two vehicles due to the exponentially scaling computational complexity with respect to system dimension. In this paper, we take advantage of the guarantees HJ reachability provides, and eliminate the computation burden by assigning a strict priority ordering to the vehicles under consideration. Under this sequential path planning (SPP) scheme, vehicles reserve "space-time" portions in the airspace, and the space-time portions guarantee dynamic feasibility, collision avoidance, and optimality of the paths given the priority ordering. With a computation complexity that scales quadratically when accounting for both disturbances and an intruder, and linearly when accounting for only disturbances, SPP can tractably solve the multi-vehicle path planning problem for vehicles with general nonlinear dynamics in a practical setting. We demonstrate our theory in representative simulations.

연구 동기 및 목표

• 도시 공중에서 드론(UAV) 밀도가 증가함에 따라 증명 가능한 안전성과 확장 가능성을 확보한 다중 차량 경로 계획의 긴급한 필요성 해결.
• 고차원 다중 차량 시스템에서 해밀턴-자비(HJ) 접근 가능성의 지수적 계산 복잡도를 극복.
• 교란과 적대적 침입자 행동 하에서 일반적인 비선형 역학을 갖는 차량의 목표 달성과 충돌 회피를 보장.
• 차량 역학이나 침입자 행동에 대한 강력한 가정 없이도 하드웨어 수준의 안전 보장을 유지하는 실용적이고 확장 가능한 방법 개발.
• 기상 변화, 통신 장애, 악성 공격자 존재와 같은 현실 세계 시나리오에서 밀도 높은 안정적인 드론 운영 가능화.

제안 방법

• 다중 차량 문제를 단일 차량 접근 가능성 계산으로 분해하기 위해 차량 간 엄격한 우선순위 순서를 할당.
• 해밀턴-자비(HJ) 접근 가능성 기반으로 각 차량의 안전한 공간-시간 예약 영역을 정의하는 역방향 접근 가능성 집합을 계산.
• 우선순위가 높은 순서에서부터 공간-시간 영역을 사전 확보하여 교란 상황에서도 동적 타당성과 충돌 회피 보장.
• 침입자를 최악의 행동을 취하는 적대적 에이전트로 모델링하고, 잠재적인 이동 행동까지 고려한 접근 가능성 집합을 계산.
• 낮은 우선순위 차량이 침입자를 피하기 위해 이탈하더라도 높은 우선순위 차량이 방해받지 않도록 보장.
• 침입자가 없을 경우 계산 복잡도를 O(N)으로, 한 명의 침입자가 있을 경우 O(N²)로 조정하여 전체 다중 에이전트 HJ 접근 가능성의 지수적 증가를 피함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순차적 경로 계획 접근 방식이 일반적인 비선형 역학을 갖는 다수의 차량이 교란 조건 하에서도 증명 가능한 안전성과 목표 달성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 다중 차량 경로 계획 프레임워크에서 적대적 침입자 행동은 어떻게 모델링하고, 그에 대한 보장을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ3 교란과 한 명의 침입자를 고려한 접근 가능성 기반 다중 차량 경로 계획 방법의 계산 복잡도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 HJ 접근 가능성 기반 공간-시간 예약이 우선순위 순서에 따라 정렬된 차량 시퀀스에서 동적 타당성과 충돌 회피를 보장할 수 있는가?
• RQ5 밀도 높은 드론 교통 환경에서 안전 보장, 계산 타당성, 경로 최적화 사이의 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• SPP는 교란과 적대적 침입자 행동 하에서도 일반적인 비선형 역학을 갖는 차량의 증명 가능한 안전성과 목표 달성을 달성한다.
• 이 방법은 HJ 접근 가능성의 계산 복잡도를 침입자가 없을 경우 O(N)으로, 한 명의 침입자가 있을 경우 O(N²)로 감소시켜 실용적인 확장 가능성을 확보한다.
• 시뮬레이션 결과, 낮은 우선순위를 가진 차량이 높은 우선순위 차량을 위해 공간-시간 영역을 사전 확보하기 위해 더 일찍 정상 경로에서 이탈하는 것으로 나타났다.
• 침입자 영향을 받지 않는 차량들(예: Q₄)은 정상 경로를 거의 그대로 따라가지만, 침입자를 피해야 하는 차량들(예: Q₂, Q₃)은 침입자가 존재하는 동안 상당한 이탈이 발생한다.
• 침입자가 사라진 후 차량들은 재계획을 수행하고 결국 목표 지점에 도달함으로써 복구 능력과 목표 달성 능력을 입증한다.
• 최악의 침입자 행동 조건 하에서도 보수적인 공간-시간 예약을 통해 모든 차량이 안전성과 타당성을 유지함을 보장한다.