[논문 리뷰] UWB-Based Localization for Multi-UAV Systems and Collaborative Heterogeneous Multi-Robot Systems: a Survey

Wang Shule, Carmen Martínez Almansa외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 17.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 59인용 수 5

한 줄 요약

이 종합 검토는 다중 UAV 및 이종 다중로봇 시스템을 위한 초광대역(UWB) 기반 위치 결정에 관한 첫 번째 종합적 리뷰를 제시한다. 주요 초점은 즉각적 설치, 협동 위치 측정, UAV 정류장에 대한 협동 운동과 같은 협동 조작이다. 이 리뷰는 GNSS 장애 환경에서 UWB의 높은 정확도(수십 센티미터 이내)를 강조하며, 산업 및 비상 상황 적용 분야에서 동작 캡처 시스템을 대체할 잠재력을 제시한다.

ABSTRACT

Ultra-wideband technology has emerged in recent years as a robust solution for localization in GNSS denied environments. In particular, its high accuracy when compared to other wireless localization solutions is enabling a wider range of collaborative and multi-robot application scenarios, being able to replace more complex and expensive motion-capture areas for use cases where accuracy in the order of tens of centimeters is sufficient. We present the first survey of UWB-based localization focused on multi-UAV systems and heterogeneous multi-robot systems. We have found that previous literature reviews do not consider in-depth the challenges in both aerial navigation and navigation with multiple robots, but also in terms of heterogeneous multi-robot systems. In particular, this is, to the best of our knowledge, the first survey to review recent advances in UWB-based (i) methods that enable ad-hoc and dynamic deployments; (ii) collaborative localization techniques; and (iii) cooperative sensing and cooperative maneuvers such as UAV docking on mobile platforms. Finally, we also review existing datasets and discuss the potential of this technology for both localization in GNSS-denied environments and collaboration in multi-robot systems.

연구 동기 및 목표

• 다중 UAV 및 이종 다중로봇 시스템에서 UWB 기반 위치 결정에 중점을 둔 종합적 검토가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• GNSS 장애 환경에서 공중 항법 및 다중로봇 협업에 특화된 과제를 조사하기 위해.
• 즉각적 및 동적 설치, 협동 위치 측정, 협동 감지/조작에 대한 UWB의 최근 발전을 분석하기 위해.
• 기존 데이터셋을 검토하고, 로봇 분야에서 고정밀, 저비용 위치 측정에 UWB의 잠재력을 평가하기 위해.
• 자율 다중로봇 시스템에서 UWB 통합에 남아 있는 열린 연구 과제와 기술적 격차를 규명하기 위해.

제안 방법

• 2014년에서 2020년 사이의 다중 UAV 및 이종 다중로봇 시스템에서의 UWB 기반 위치 측정에 대한 체계적 문헌 검토.
• 고정 앵커, 협동형, 이동 앵커 구성으로 나누어 UWB 위치 측정 기법을 분류.
• 센티미터 수준 정확도를 확보하기 위한 시간 간격(ToF) 및 양방향 거리 측정(TWR) 프로토콜을 통한 UWB 거리 측정 분석.
• 확장 칼만 필터(EKF)를 사용한 관성 측정 장치(IMU)와의 센서 융합 방법 평가.
• 실제 구현 사례 조사로, Crazyflie 드론에 탑재된 Loco Positioning Deck 및 Decawave의 DRTLS 시스템 포함.
• 데이터셋 검토로, 다양한 앵커 구성과 함께 수동 및 자율 비행을 포함한 UAV 비행 데이터셋과 상용 기본 설정 대비 향상된 앵커 캘리브레이션 결과 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GNSS 장애 환경에서 다중 UAV 시스템에 UWB 기반 위치 측정을 구현할 때의 주요 과제는 무엇인가?
• RQ2 UWB는 이동 플랫폼에서 UAV 정류장과 같은 협동 조작을 위해 어떻게 협동 위치 측정을 가능하게 하는가?
• RQ3 다중로봇 시스템에서 다양한 UWB 앵커 구성에 따른 성능 트레이드오프와 정확도 향상은 어떠한가?
• RQ4 비용, 확장성, 정확도 측면에서 UWB 기반 위치 측정은 동작 캡처 시스템과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 특히 동적 및 즉각적 설치 환경에서 이종 다중로봇 시스템에 UWB 통합에 남아 있는 열린 연구 과제는 무엇인가?

주요 결과

• UWB 기반 위치 측정은 10cm 이내의 정밀도를 달성하여 GNSS 장애 환경에서 동작 캡처 시스템의 실질적인 대안이 될 수 있다.
• 로봇 당 다수의 UWB 송수신기 사용은 상대 위치 추정 외에도 기하학적 거리 측정을 통한 자세 추적 기능을 가능하게 한다.
• 협동 위치 측정은 UWB를 활용해 딥 강화 학습 기반의 편대 제어 및 다중로봇 충돌 회피에 성공적으로 적용된 바 있다.
• Peña Queralta 등이 발표한 데이터셋은 현재까지 가장 광범위한 데이터셋으로, 다양한 앵커 구성과 상용 기본 설정을 초월한 개선된 앵커 캘리브레이션을 포함한다.
• Nguyen 등이 보고한 바에 따르면 UWB는 이동 플랫폼에서 UAV 정류장에 고정밀도로 도킹하는 데 성공했으며, 최종 도킹 단계는 시각 및 마커 기반 기술에 의존한다.
• 최근 상용 모듈은 최대 60미터의 시야 내 통신을 지원하여 다중로봇 시스템의 대규모 구역 설치를 가능하게 한다.