[论文解读] Guaranteeing Safety and Liveness of Unmanned Aerial Vehicle Platoons on Air Highways.

Mo Chen, Qie Hu+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2016

Traffic control and management参考文献 22被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于空中高速公路的无人机编队系统，利用快速行进法优化飞行路径，并采用汉密尔顿-雅可比可达性方法确保在模式切换过程中的安全性和活性。该系统可保证每架无人机在每个高度层范围内最多发生一次安全违规，且在极少数情况下可实现跨多个高度层的扩展安全性，通过三种典型运行场景的仿真得到验证。

ABSTRACT

Recently, there has been immense interest in using unmanned aerial vehicles (UAVs) for civilian operations such as package delivery, aerial surveillance, and disaster response. As a result, UAV traffic management systems are needed to support potentially thousands of UAVs flying simultaneously in the air space, in order to ensure their liveness and safety requirements are met. Currently, the analysis of large multi-agent systems cannot tractably provide these guarantees if the agents' set of maneuvers are unrestricted. In this paper, we propose to have platoons of UAVs flying on air highways in order to impose the air space structure that allows for tractable analysis and intuitive monitoring. For the air highway placement problem, we use the flexible and efficient fast marching method to solve the Eikonal equation, which produces a sequence of air highways that minimizes the cost of flying from an origin to any destination. Within the platoons that travel on the air highways, we model each vehicle as a hybrid system with modes corresponding to its role in the platoon. Using Hamilton-Jacobi reachability, we propose several liveness controllers and a safety controller that guarantee the success and safety of all mode transitions. For a single altitude range, our approach guarantees safety for one safety breach per vehicle; in the unlikely event of multiple safety breaches, safety can be guaranteed over multiple altitude ranges. We demonstrate the satisfaction of liveness and safety requirements through simulations of three common scenarios.

研究动机与目标

• 解决在允许自由机动的大规模无人机交通中确保安全性和活性的挑战。
• 通过使用空中高速公路对空域进行结构化，降低多智能体无人机系统分析的复杂度。
• 通过在预设航线上采用编队运行，实现对安全性和活性保障的可 tractable（可处理）验证。
• 开发控制器以确保无人机编队运行期间可靠地完成模式切换。
• 为诸如包裹递送和灾难响应等民用无人机运营提供可扩展的解决方案。

提出的方法

• 使用快速行进法求解Eikonal方程，以最小化从起点到终点的飞行成本，从而实现最优空中高速公路布局。
• 将编队中的每架无人机建模为基于其角色（如领航机、跟随机）的混合系统，具有不同模式。
• 应用汉密尔顿-雅可比可达性方法，设计确保无人机编队中所有模式切换成功进行的活性控制器。
• 利用汉密尔顿-雅可比可达性开发安全控制器，以保证在模式切换期间避免碰撞。
• 系统设计支持每架无人机在每个高度层范围内最多发生一次安全违规，且在极少数情况下可实现跨多个高度层的扩展安全性。
• 通过模拟三种常见无人机场景，验证所提控制器在活性和安全性方面的保障能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化空中高速公路布局，以最小化飞行成本，同时实现对无人机编队的可处理分析？
• RQ2 何种控制策略可确保无人机编队在模式切换过程中的活性？
• RQ3 在存在安全违规的情况下，如何形式化地保证车辆机动过程中的安全性？
• RQ4 该方法在处理多架无人机和复杂交通场景方面具有怎样的可扩展性？
• RQ5 在发生多次安全违规的情况下，系统在何种条件下仍能保持安全性？高度分层结构如何支持这一能力？

主要发现

• 快速行进法成功生成了最小化飞行成本的空中高速公路，同时实现了结构化且可分析的无人机运行。
• 汉密尔顿-雅可比可达性方法使控制器设计成为可能，确保了无人机编队内所有模式切换的活性。
• 安全控制器可确保碰撞避免，且对每架无人机在每个高度层范围内最多一次安全违规提供了形式化保障。
• 在发生多次安全违规的情况下，系统通过分层架构在多个高度层范围内仍能维持安全性。
• 对三种典型场景的仿真结果表明，在所提框架下，活性和安全性要求均得到满足。
• 该方法可实现可扩展、安全且具备活性保障的无人机运行，适用于包裹递送和监控等民用应用。