[논문 리뷰] Technical Report: Safe, Aggressive Quadrotor Flight via Reachability-based Trajectory Design

Shreyas Kousik, Patrick Holmes외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 11.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자율 비행을 위한 도메인 기반의 궤적 설계(RTD) 프레임워크를 제안하며, 자동차의 궤적에 따라 변하는 추적 오차를 존오토프로 모델링하여 혼잡한 환경에서 안전하고 급격한 비행을 가능하게 한다. 이 방법은 사전에 도달 가능한 영역(FRS)을 계산하고, 실시간으로 충돌이 없는 궤적을 선택함으로써 최대 5 m/s 속도에서 500회의 시뮬레이션 전부에서 충돌 없이 작동하며, 균일한 장애물 확장 방식보다 효율성이 뛰어나다.

ABSTRACT

Quadrotors can provide services such as infrastructure inspection and search-and-rescue, which require operating autonomously in cluttered environments. Autonomy is typically achieved with receding-horizon planning, where a short plan is executed while a new one is computed, because sensors receive limited information at any time. To ensure safety and prevent robot loss, plans must be verified as collision free despite uncertainty (e.g, tracking error). Existing spline-based planners dilate obstacles uniformly to compensate for uncertainty, which can be conservative. On the other hand, reachability-based planners can include trajectory-dependent uncertainty as a function of the planned trajectory. This work applies Reachability-based Trajectory Design (RTD) to plan quadrotor trajectories that are safe despite trajectory-dependent tracking error. This is achieved by using zonotopes in a novel way for online planning. Simulations show aggressive flight up to 5 m/s with zero crashes in 500 cluttered, randomized environments.

연구 동기 및 목표

• 동적인 불확실성에도 불구하고 미지의 혼잡한 환경에서 급격한 비행을 수행할 수 있도록 자율 멀티로터의 항법을 가능하게 한다.
• 균일한 장애물 확장을 사용하는 스퍼링 기반 계획자에서의 한계를 해결한다. 이는 추적 오차를 보완하기 위해 사용되며, 과도하게 보수적인 결과를 낳을 수 있다.
• 고차원 상태 공간을 갖는 3D 멀티로터 동역학에 대해 도달 가능성 기반 궤적 설계(RTD)를 확장한다.
• 제어 입력과 궤적 형태에 따라 달라지는 궤적 의존 추적 오차를 실시간 계획에 통합하면서 매 반복마다 도달 가능한 집합을 재계산하지 않고도 이를 반영한다.
• 급격한 비행 조건 하에서 대규모 시뮬레이션을 통해 본 방법의 효과성을 입증한다.

제안 방법

• 시스템을 13차원 상태 벡터(위치, 속도, 자세, 각속도 포함)로 모델링하여 RTD를 3D 멀티로터 동역학에 확장한다.
• 존오토프 도달 가능성 기반으로 사전에 계산된 도달 가능한 영역(FRS)을 계산하며, 이는 다항식 최적화(SOS 프로그래밍)를 통해 이루어진다. FRS는 모든 가능한 궤적과 그 추적 오차의 합집합을 포괄한다.
• 제어 입력과 시스템 역학에 기반한 궤적 의존 추적 오차의 새로운 근사치를 유도하고, 이를 FRS에 통합하여 현실적인 불확실성을 반영한다.
• FRS를 궤적 매개변수 공간에 투영하여, 매개변수 공간 내에서 장애물과의 교차 여부를 검사함으로써 실시간으로 안전한 궤적을 선택할 수 있도록 한다.
• 각 계획 반복에서, 전체 도달 가능한 집합이 장애물과 교차하지 않도록 하면서도 비용 함수(예: 향후 점까지의 거리)를 최소화하는 궤적을 선택한다.
• 매 반복마다 FRS를 재계산하지 않고 사전에 계산된 FRS를 사용하여 실시간 안전 궤적 선택을 위한 룩업 구조로 활용함으로써 FRS 재계산을 피한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고차원적 3D 멀티로터 동역학에 존오토프 기반의 도달 가능성 기법을 효과적으로 적용하여 궤적 의존 불확실성을 모델링할 수 있는가?
• RQ2 궤적 의존 추적 오차를 통합함으로써 균일한 장애물 확장 방식에 비해 계획 효율성은 향상되고 보수성은 감소하는가?
• RQ3 제안된 RTD 프레임워크는 혼잡하고 랜덤한 환경에서 최대 5 m/s 속도로 급격한 비행을 실시간으로 안전하게 계획할 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 충돌 없이 고속 비행을 유지하면서도 안전 보장을 유지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 사전 계산된 FRS는 실시간 성능을 유지하기 위해 매 계획 단계에서 도달 가능한 집합을 재계산하지 않고도 재사용 가능한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 장애물이 존재하고 센서 범위가 12m인 500개의 랜덤화된 혼잡한 환경에서 전부 충돌 없이 작동하였다.
• 궤적 의존 추적 오차를 적용한 결과, 91.2%의 시도에서 목표에 도달하였으며, 일정한 0.1m 추적 오차를 사용한 경우의 84.8% 성공률보다 뛰어났다.
• 엄격한 도달 가능성 분석을 통해 최대 5 m/s의 급격한 비행 속도에서도 안전성을 유지하면서도 급격한 비행을 성공적으로 처리하였다.
• 존오토프 도달 가능성 기법을 사용함으로써 13차원 상태 공간에서 FRS를 계산할 수 있었으며, 이는 전체 멀티로터 동역학에 대한 적용 가능성을 크게 향상시켰다.
• 사전 계산된 FRS를 통해 매 반복마다 도달 가능한 집합을 재계산하지 않고도 실시간 계획이 가능해졌으며, 이는 계산의 실현 가능성을 보장하였다.
• 시뮬레이션 결과는 궤적 의존 불확실성을 통합함으로써 균일한 장애물 확장 방식에 비해 보수성이 감소하고, 더 급격하고 실현 가능한 궤적을 도출할 수 있음을 확인하였다.