[논문 리뷰] Safe Platooning of Unmanned Aerial Vehicles via Reachability

Mo Chen, Qie Hu외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 25.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 23인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 일렬로 배열된 형식에서 무인 항공기(UAV)의 안전한 플라토oning을 위한 접근 가능성 기반 제어 프레임워크를 제안한다. UAV를 하이브리드 시스템으로 모델링하고 해밀턴-자코비(HJ) 접근 가능성 기법을 활용하여 임무 목표를 위한 활성 제어기와 충돌을 방지하는 안전 제어기를 설계함으로써, 단일 안전 위반 상황에서도 안전성을 보장한다. 시뮬레이션을 통해 플라토oning 운용, 장애 상황, 외부 침입자 발생 등의 시나리오를 검증하였다.

ABSTRACT

Recently, there has been immense interest in using unmanned aerial vehicles (UAVs) for civilian operations such as package delivery, firefighting, and fast disaster response. As a result, UAV traffic management systems are needed to support potentially thousands of UAVs flying simultaneously in the airspace, in order to ensure their liveness and safety requirements are met. Hamilton-Jacobi (HJ) reachability is a powerful framework for providing conditions under which these requirements can be met, and for synthesizing the optimal controller for meeting them. However, due to the curse of dimensionality, HJ reachability is only tractable for a small number of vehicles if their set of maneuvers is unrestricted. In this paper, we define a platoon to be a group of UAVs in a single-file formation. We model each vehicle as a hybrid system with modes corresponding to its role in the platoon, and specify the set of allowed maneuvers in each mode to make the analysis tractable. We propose several liveness controllers based on HJ reachability, and wrap a safety controller, also based on HJ reachability, around the liveness controllers. For a single altitude range, our approach guarantees safety for one safety breach; 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

• 수천 대의 UAV로 구성된 대규모 UAV 교통에서 안전성과 활성화를 확보하는 데 도전하는 것.
• 해밀턴-자코비(HJ) 접근 가능성 기법의 차원의 극복 문제를 해결하기 위해 UAV를 일렬로 배열된 플라토oning으로 구조화하는 것.
• 플라토oning 내에서 UAV의 역할과 동작을 포괄하는 하이브리드 시스템 모델을 개발하여 접근 가능성 분석의 실현 가능성을 확보하는 것.
• 플라토oning 형성 및 재구성에 적합한 활성 제어기를 설계하고, 충돌 방지를 위한 안전 제어기를 통합하는 것.
• 단일 안전 위반 상황에서도 단일 고도 범위를 사용해 안전성을 보장할 수 있음을 입증하고, 고도 층을 활용해 다중 위반 상황으로 확장하는 것.

제안 방법

• 플라토oning 내에서의 역할(리더, 패러디, 등)에 해당하는 모드를 가진 하이브리드 시스템으로 각 UAV를 모델링하는 것.
• 시스템 복잡성을 줄이고 HJ 접근 가능성 기법의 계산 가능성을 확보하기 위해 각 모드에 대해 제한된 동작 집합을 정의하는 것.
• 안전성 및 활성 목표를 위한 역방향 접근 가능 영역을 계산하고, 이를 바탕으로 제어기 설계를 수행하는 것.
• HJ 접근 가능성 기반으로 목표 상태(예: 플라토닝 형성)로 UAV를 유도하는 활성 제어기를 설계하는 것.
• HJ 접근 가능성 기반으로 위험한 상태(예: 충돌)를 피할 수 있도록 활성 제어기에 안전 제어기를 감싸는 방식으로 설계하는 것.
• 일렬로 배열된 구조를 활용해 HJ 접근 가능성 기반의 쌍별 안전 보장을 전체 플라토닝에 적용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차원의 극복 문제로 인해 대규모 UAV 플라토닝에 HJ 접근 가능성 기법을 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 구조화된 플라토닝 형성 방식이 접근 가능성 분석의 계산 부담을 줄이면서도 안전 보장을 유지할 수 있는가?
• RQ3 어떤 제어 아키텍처가 UAV 플라토닝에서 활성화(플라토닝 형성)와 안전성(충돌 방지)을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ4 장애가 발생한 UAV나 외부 침입자가 존재하는 경우 단일 안전 위반 상황에서 안전성이 유지될 수 있는가?
• RQ5 다중 동시 안전 위반이 발생하는 경우에 다중 고도 범위를 통해 안전성이 보장될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 단일 고도 범위를 사용하여 단일 안전 위반 상황에서도 안전성을 보장하며, 플라토닝 시나리오에서 충돌을 방지함을 입증하였다.
• 다중 안전 위반이 발생하는 경우, 다중 고도 층을 활용함으로써 안전성을 유지할 수 있으며, 이는 접근 방식의 적용 범위를 넓힌다.
• 시뮬레이션을 통해 플라토닝 형성, 장애 발생 후 재구성(예: 방향 전환), 외부 침입자 회피가 성공적으로 수행됨을 입증하였다.
• Q4 및 Q5와 같은 후행 UAV들은 장애가 발생한 UAV를 회피하기 위해 안전 제어로 전환한 후 위협이 해소된 후 다시 플라토닝에 복귀하는 데 성공하였다.
• 침입자 시나리오에서 안전 제어기가 위협의 안전 접근 가능 영역 외부에 유지되도록 보장함으로써 충돌을 효과적으로 방지함을 검증하였다.
• HJ 접근 가능성 기법을 활용함으로써 비선형, 비凸인 시스템에서도 정밀하고 공식적인 안전 보장을 확보할 수 있었으며, 큼직한 드론의 동적 시뮬레이션을 통해 검증되었다.