[논문 리뷰] View Planning and Navigation Algorithms for Autonomous Bridge Inspection with UAVs

Kevin Yu, Prajwal Shanthakumar외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 03.

Robotics and Sensor-Based Localization참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 2차원 라이다, 국소 주행 루틴 전환을 위한 감독 모듈, 최적의 점검 경로를 생성하는 계획기로 구성된 자율 드론 시스템을 제안한다. 이는 GPS가 비활성화된 환경에서 박스 거더교의 완전한 점검을 가능하게 하며, 실제 교량 구조에서 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

We study the problem of infrastructure inspection using an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in box girder bridge environments. We consider a scenario where the UAV needs to fully inspect box girder bridges and localize along the bridge surface when standard methods like GPS and optical flow are denied. Our method for overcoming the difficulties of box girder bridges consist of creating local navigation routines, a supervisor, and a planner. The local navigation routines use two 2D Lidars for girder and column flight. For switching between local navigation routines we implement a supervisor which dictates when the UAV is able to switch between local navigation routines. Lastly, we implement a planner to calculate the path along that box girder bridge that will minimize the flight time of the UAV. With local navigation routines, a supervisor, and a planner we construct a system that can fully and autonomously inspect box girder bridges when standard methods are unavailable.

연구 동기 및 목표

• GPS나 코로미터 데이터에 의존하지 않고 박스 거더교의 완전한 자율 드론 점검을 가능하게 하기 위해.
• 2차원 라이다를 사용하여 거더와 기둥을 따라 비행하는 국소 주행 루틴을 개발하기 위해.
• 구조적 맥락에 기반해 라이다 기반 구조 인식과 상태 추정을 통해 루틴 간 지능적으로 전환할 수 있는 감독 모듈을 설계하기 위해.
• 비행 시간을 최소화하고 완전한 커버리지 보장을 위해 루틴의 최적 순서를 계산하는 계획기 개발하기 위해.
• 실제 교량 모델에서 GPS 비활성 조건 하에 시뮬레이션된 드론 비행을 통해 시스템 검증하기 위해.

제안 방법

• 두 대의 2차원 라이다를 사용하여 거더와 기둥을 탐지함으로써 실시간 상대적 주행을 가능하게 한다.
• 특정 교량 표면을 위한 국소 주행 루틴(GL, GR, CU, CD)을 정의하며, 각 루틴에는 전용 제어 법칙이 적용된다.
• 라이다 기반 구조 인식과 상태 추정을 바탕으로 감독 모듈이 루틴 간 전환 시점을 결정한다.
• 교량 기하학으로부터 유도된 다각형 계획 표면을 대상으로 최적의 커버리지 순서를 계산하기 위해 글로벌 TSP(GTSP) 솔버를 사용한다.
• 계획기의 입력은 이산화된 교량 모델에서 유도되며, 클러스터는 표면 세그먼트를 나타내고 노드는 커버리지 방향을 나타낸다.
• MAVROS를 통해 계획기 출력을 실시간 드론 제어와 통합함으로써 시뮬레이션 환경에서 전체 점검 경로 실행이 가능해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GPS 및 코로미터 기능이 비활성화된 상황에서 드론이 어떻게 박스 거더교를 자율적으로 점검할 수 있는가?
• RQ2 2차원 라이다만을 사용하여 거더와 기둥을 따라 안정적인 비행을 수행할 수 있는 국소 주행 전략은 무엇인가?
• RQ3 점검 중에 감독 모듈이 어떻게 동적으로이고 안전하게 루틴 간 전환을 수행할 수 있는가?
• RQ4 글로벌 GPS 지식이 없는 상황에서 전체 커버리지 보장과 최소 비행 시간을 보장하는 경로 계획 접근 방식은 무엇인가?
• RQ5 국소 루틴, 감독 모듈, 글로벌 계획기의 하이브리드 시스템이 실제 교량 환경에서 강력하고 최적의 점검을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 실제 박스 거더교 모델(11개 다각형 표면)에서 완전한 점검 경로를 계획하고 시뮬레이션에 성공했다.
• GTSP 기반 계획기는 1.92초 내에 최적의 순서를 계산하여 최소 비행 시간과 완전한 커버리지 보장을 확보했다.
• 시뮬레이션에서 드론은 계획된 경로를 정확하게 이행하였으며, 초록색 노드에서 모드 전환이 정확히 발생하여 감독 모듈의 기능을 확인했다.
• 비행 데이터는 거더와 기둥을 따라 안정적인 주행을 보였으며, 라이다 기반 탐지로 정밀한 상대 위치 추정이 가능함을 입증했다.
• 이 방법은 사전에 고정밀 글로벌 지도나 GPS가 필요로 하지 않으며, 교량 표면의 완전한 커버리지 보장을 보장한다.
• 시스템은 다른 교량 유형으로도 확장 가능하며, 테스트된 네 가지 루틴(GL, GR, CU, CD)이 총 여덟 가지 루틴의 기초를 형성한다.