[논문 리뷰] Composition of Safety Constraints With Applications to Decentralized Fixed-Wing Collision Avoidance.

Eric Squires, Pietro Pierpaoli외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 10.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 액추에이터 제약 조건 하에서 분산된 고정익 드론의 충돌 회피를 위한 장벽 증명 방법을 제안하며, 안전 제약 조건의 조합을 통해 다수의 드론 간 쌍별 간격을 보장한다. 이 방법은 20架의 드론을 포함한 시뮬레이션에서도 노말 경로가 충돌할 가능성이 있는 상황에서도 충돌 없는 비행을 보장한다.

ABSTRACT

In this paper we discuss how to construct a barrier certificate for a control affine system subject to actuator constraints and motivate this discussion by examining collision avoidance for fixed-wing unmanned aerial vehicles (UAVs). In particular, the theoretical development in this paper is used to create a barrier certificate that ensures that two UAVs will not collide for all future times assuming the vehicles start in a safe starting configuration. We then extend this development by discussing how to ensure that multiple safety constraints are simultaneously satisfied in a decentralized manner (e.g., ensure robot distances are above some threshold for all pairwise combinations of UAVs for all future times) while ensuring output actuator commands are within specified limits. We validate the theoretical developments of this paper in the simulator SCRIMMAGE with a simulation of 20 UAVs that maintain safe distances from each other even though their nominal paths would otherwise cause a collision.

연구 동기 및 목표

• 다수의 고정익 드론에 대해 분산 방식으로 충돌 없는 비행을 보장하는 문제에 대응한다.
• 모든 쌍별 거리가 임계값 이상을 유지하도록 다수의 안전 제약 조건을 조합하는 방법을 개발한다.
• 액추에이터 제약 조건을 장벽 증명 설계에 통합하여 실현 가능한 제어 입력을 보장한다.
• 고정밀 시뮬레이션 환경에서 대규모 수의 드론을 대상으로 이론적 접근을 검증한다.

제안 방법

• 액추에이터 제약 조건이 적용된 제어-아핀 시스템에 대한 장벽 증명을 수립한다.
• 개별 안전 제약 조건을 조합하여 동시에 만족되는 단일 증명으로 통합하는 방법을 사용한다.
• 결과적으로 유도된 제어 명령어가 지정된 출력 액추에이터 제한 내에 유지되도록 보장한다.
• 각 드론이 국부적 정보 기반으로 자체 제어 입력을 계산하는 분산 제어 아키텍처에 이 방법을 적용한다.
• 20대의 고정익 드론을 대상으로 SCRIMMAGE 드론 시뮬레이터를 사용하여 이론적 프레임워크를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 안전 제약 조건을 어떻게 조합하여 분산된 드론 시스템에서 동시에 쌍별 간격을 확보할 수 있는가?
• RQ2 액추에이터 제약 조건은 충돌 회피를 위한 장벽 증명 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제어 입력 제한을 고려하면서도 다수의 드론에 대해 충돌 회피를 보장할 수 있는 단일 장벽 증명을 구성할 수 있는가?
• RQ4 이러한 방법은 분산 환경에서 드론 수의 증가에 대해 얼마나 확장 가능한가?

주요 결과

• 제안된 장벽 증명 방법은 향후 모든 시간에 대해 드론 간 쌍별 거리가 안전 임계값 이상을 유지함을 성공적으로 보장한다.
• 이 방법은 지정된 제한 내에서 실현 가능한 액추에이터 명령어를 유지하여 실용적인 구현 가능성을 확보한다.
• 이 접근은 최대 20대의 드론을 포함한 분산 환경에서 확장 가능하고 효과적이다.
• SCRIMMAGE에서의 시뮬레이션 결과는 드론이 노말 경로가 충돌할 가능성이 있는 상황에서도 충돌을 피하는 것으로 확인되었다.