[논문 리뷰] Skyeye Team at MBZIRC 2020: A team of aerial and ground robots for GPS-denied autonomous fire extinguishing in an urban building scenario

Simón Martínez-Rozas, Rafael Rey외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Robotics and Sensor-Based Localization참고 문헌 61인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고층 도시 건물 환경에서 GPS 없이도 작동하는 UAV 3대와 UGV 1대를 활용한 완전 자율 다중 로봇 시스템을 제시한다. 시스템은 3D 라이다 기반 위치 결정, 행동 트리 기반 임무 실행, 적외선 감지 기반 화재 탐지 및 진압을 통합하여, MBZIRC 2020 도전 대회 3위 및 그랜드 페날 5위를 기록하였다.

ABSTRACT

The paper presents a framework for fire extinguishing in an urban scenario by a team of aerial and ground robots. The system was developed to address Challenge 3 of the 2020Mohamed Bin Zayed International Robotics Challenge (MBZIRC). The challenge required to autonomously detect, locate and extinguish fires on different floors of a building, as well as in its surroundings. The multi-robot system developed consists of a heterogeneous robot team of up to three Unmanned Aerial Vehicles (UAV) and one Unmanned Ground Vehicle (UGV). We describe the main hardware and software components for UAV and UGVplatforms and also present the main algorithmic components of the system: a 3D LIDAR-based mapping and localization module able to work in GPS-denied scenarios; a global planner and a fast local re-planning system for robot navigation; infrared-based perception and robot actuation control for fire extinguishing; and a mission executive and coordination module based on Behavior Trees. The paper finally describes the results obtained during the competition, where the system worked fully autonomously and scored in all the trials performed. The presented system ended in 7th position out of 20 teams in the Challenge3 competition and in 5th position (out of 17 teams) in the Challenge 3 entry to the Grand Finale (Grand Challenge) of MBZIRC 2020 competition.

연구 동기 및 목표

• 이상형 로봇을 활용하여 GPS 없이 도시 고층 건물에서 자율적인 화재 탐지 및 진압을 수행하는 과제를 해결한다.
• 인간의 간섭 없이 실내 및 실외 주행, 화재 위치 특정 및 진압이 가능한 견고한 완전 자율 시스템을 개발한다.
• 통신 제약 조건 하에 복잡하고 혼잡한 환경에서 공중 및 지상 로봇 간의 원활한 협업을 가능하게 한다.
• 제한된 준비 시간과 하드웨어 제약 조건 하에 실제 대회 환경에서 신뢰할 수 있는 성능을 달성한다.

제안 방법

• GPS 없이도 정확한 위치 결정이 가능한 3D 라이다 기반 동시 위치 결정 및 맵핑(SLAM) 시스템을 적용하였다.
• 실시간 장애물 회피를 위한 글로벌 경로 계획 및 빠른 로컬 재계획 기반 주행 전략을 구현하였다.
• 정확한 물 분사 및 화재 차단막 배치를 위한 적외선 기반 화재 감지 및 액추에이터 제어를 통합하였다.
• 행동 트리(Behavior Trees, BTs)를 활용한 임무 실행기 설계를 통해 로봇 행동 및 팀 협업을 구성하고 관리하였다.
• 현장에서의 통신 장애 발생 시에도 운영이 가능하도록 현장 내 처리 능력을 확보하여 국부적 자율성을 확보하였다.
• 상용 제품 기반 드론 및 지상 로봇에 맞춤형 물 분사 및 차단막 배치 장치를 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상형 UAV 및 UGV 팀은 어떻게 GPS 없이 도시 고층 건물에서 자율적인 화재 탐지 및 진압을 수행할 수 있는가?
• RQ2 GPS 없이 혼잡한 실내 및 실외 환경에서 신뢰할 수 있는 운영을 가능하게 하는 위치 결정 및 주행 전략은 무엇인가?
• RQ3 유연하고 계층적인 임무 실행 프레임워크는 다중 로봇 화재 진압 작업에서 동적 협업 및 반응성을 어떻게 지원하는가?
• RQ4 상용 플랫폼을 활용한 자율 화재 진압을 구현하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 적응은 무엇인가?
• RQ5 실제 대회 조건에서 제한된 시간과 하드웨어 제약 하에 다수의 로봇을 배치할 때의 주요 시스템 수준 과제는 무엇인가?

주요 결과

• MBZIRC 2020 도전 대회 3회차에서 모든 시험에서 완전 자율 작동을 달성하였으며, 임무 중 인간 간섭 없이 운영되었다.
• 도전 대회 3회차에서 20支 중 7위, 그랜드 페날에서는 17支 중 5위를 기록하여 실제 환경 조건에서 견고한 성능을 입증하였다.
• 3D 라이다 기반 위치 결정 시스템은 안정적이고 정밀한 로봇 위치 결정을 제공하여 GPS 없이도 실내외 주행이 원활하게 가능하였다.
• 행동 트리 기반 임무 실행은 모듈식이고 반응성이 뛰어난 행동 조합을 가능하게 하여 런타임 중 동적 작업 적응을 지원하였다.
• 하드웨어 제약에도 불구하고 물 분사 및 차단막 배치 장치는 충분히 기능하였지만, 드론의 공기 흐름으로 인해 종종 차단막 배치가 방해받는 경우가 있었다.
• 통신 지연으로 인해 시스템 기동 및 협업이 지연되어, 강력한 국부적 자율성에도 불구하고 15분의 임무 창의 전반적 활용이 제한되었다.