[论文解读] 3-D Reciprocal Collision Avoidance on Physical Quadrotor Helicopters with On-Board Sensing for Relative Positioning

Parker Conroy, Daman Bareiss+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2014

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 22被引用 35

一句话总结

本论文首次在物理四旋翼直升机上实现了基于机载摄像头进行相对定位的3D最优互惠避碰（ORCA）的实际应用。尽管存在传感噪声和动态限制，系统仍通过指数收敛至安全轨迹，实现了鲁棒的碰撞避免，即使在机器人非合作或因感知不对称而表现出‘互惠共舞’行为时亦然。

ABSTRACT

In this paper, we present an implementation of 3-D reciprocal collision avoidance on real quadrotor helicopters where each quadrotor senses the relative position and velocity of other quadrotors using an on-board camera. We show that using our approach, quadrotors are able to successfully avoid pairwise collisions in GPS and motion-capture denied environments, without communication between the quadrotors, and even when human operators deliberately attempt to induce collisions. To our knowledge, this is the first time that reciprocal collision avoidance has been successfully implemented on real robots where each agent independently observes the others using on-board sensors. We theoretically analyze the response of the collision-avoidance algorithm to the violated assumptions by the use of real robots. We quantitatively analyze our experimental results. A particularly striking observation is that at times the quadrotors exhibit "reciprocal dance" behavior, which is also observed when humans move past each other in constrained environments. This seems to be the result of sensing uncertainty, which causes both robots involved to have a different belief about the relative positions and velocities and, as a result, choose the same side on which to pass.

研究动机与目标

• 在无GPS或运动捕捉系统的情况下，实现并验证物理四旋翼直升机上的3D互惠避碰。
• 在真实世界条件下，研究违反ORCA关键假设（如对称性、互惠性及完美动力学）的影响。
• 分析传感不确定性如何导致‘互惠共舞’行为，并评估其对避碰的影响。
• 评估ORCA在真实四旋翼机中对非合作目标及动态偏差的鲁棒性。
• 证明即使系统未被精确建模，ORCA仍可通过指数收敛实现无碰撞轨迹。

提出的方法

• 每架四旋翼机使用机载CMOS摄像头，通过卡尔曼滤波器估计另一架四旋翼机的相对位置和速度。
• 系统实现了最优互惠避碰（ORCA）算法，该算法基于相对速度和位置计算无碰撞速度调整。
• ORCA算法利用相对状态估计构建速度障碍，实现无需机器人间通信的去中心化、反应式避碰。
• 该方法依赖于相对速度范式，即每架机器人仅需观测其他机器人的相对状态，而无需其绝对全局状态。
• 实验在无GPS和无运动捕捉的环境中进行，使用两架Parrot AR.Drone四旋翼机。
• 系统在多种条件下进行了测试，包括非合作行为和传感不确定性，以评估其鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 传感不确定性如何影响真实世界3D四旋翼系统中互惠避碰的行为？
• RQ2 在物理机器人系统中，ORCA对对称性和互惠性假设的违反在多大程度上仍具鲁棒性？
• RQ3 在存在动态约束和非瞬时速度变化的真实四旋翼机中，ORCA能否实现无碰撞轨迹？
• RQ4 ‘互惠共舞’行为在真实机器人中由何引起，其如何从感知不对称中产生？
• RQ5 当一架机器人无法跟踪另一架时，系统性能如何？合作机器人是否仍能避免碰撞？

主要发现

• 系统在超过100次实验中成功避免了碰撞，且无需GPS或运动捕捉系统，证明了其在真实世界条件下的鲁棒性。
• 传感不确定性导致了‘互惠共舞’行为，即两架机器人在迎面接近时均选择同一侧通过，这是由于相对状态估计的不对称性所致。
• 即使一架四旋翼机无法跟踪另一架，合作机器人仍通过指数收敛至安全轨迹成功避免了碰撞。
• ORCA算法在存在动态限制的情况下依然有效，系统即使无法瞬时调整速度，也能以极快的指数速度收敛至无碰撞路径。
• 由于噪声导致的较大相对速度估计偶尔会触发不必要的避让动作，但这些错误在后续步骤中被迅速纠正，影响极小。
• 算法仅需略微增大的边界半径即可保持有效，表明ORCA在四旋翼机上无需针对动力学特性进行适应性调整即可实现鲁棒性。