[论文解读] On-board Range-based Relative Localization for Micro Aerial Vehicles in indoor Leader-Follower Flight

Steven van der Helm, Kimberly McGuire+2 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2018

Robotics and Sensor-Based Localization参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于超宽带（UWB）的、与航向无关的机载基于距离的相对定位系统，用于微型飞行器（MAVs），通过UWB实现机间距离与运动测量。该方法在室内环境中实现了自主的领飞-跟随飞行，200秒内平均定位误差为22.6 cm，轨迹跟踪误差为50.8 cm，消除了对磁强计的依赖，并在存在磁干扰的情况下仍能保持鲁棒性能。

ABSTRACT

We present a range-based solution for indoor relative localization by Micro Air Vehicles (MAVs), achieving sufficient accuracy for leader-follower flight. Moving forward from previous work, we removed the dependency on a common heading measurement by the MAVs, making the relative localization accuracy independent of magnetometer readings. We found that this restricts the relative maneuvers that guarantee observability, and also that higher accuracy range measurements are required to rectify the missing heading information, yet both disadvantages can be tackled. Our implementation uses Ultra Wide Band, for both range measurements between MAVs and sharing their velocities, accelerations, yaw rates, and height with each other. We used this on real MAVs and performed leader-follower flight in an indoor environment. The follower MAVs could follow the leader MAV in close proximity for the entire durations of the flights. The followers were autonomous and used only on-board sensors to track and follow the leader.

研究动机与目标

• 在不依赖外部导航系统或常见航向参考的情况下，实现在室内环境中的自主领飞-跟随飞行。
• 通过消除对公共航向框架的需求，摆脱对磁强计的依赖，提升在磁干扰环境下的鲁棒性。
• 开发一种仅依赖机载UWB距离与运动测量的相对定位方法，确保可观测性与精度。
• 通过实际飞行实验（单个和两个跟随者追踪领飞MAV）验证系统的可行性。

提出的方法

• 利用超宽带（UWB）无线电模块实现MAVs之间精确的视距距离测量。
• 每架MAV通过UWB通信估计并共享其自身速度、加速度、偏航速率和高度等状态信息给邻近的MAVs。
• 采用扩展卡尔曼滤波器（EKF）基于距离与运动数据估计相对位置，无需公共航向参考。
• 设计一种控制策略，使跟随者能够以时间延迟方式跟踪领飞者的轨迹，避免出现不可观测的运动构型。
• 实施一种去中心化、机载的定位框架，每架MAV独立处理自身传感器数据，仅交换必要的状态信息。
• 采用相对状态估计模型，融合UWB距离测量与惯性运动数据，以在传感器漂移情况下保持精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种与航向无关的相对定位系统是否足以实现室内环境中自主领飞-跟随飞行的精度要求？
• RQ2 缺乏公共航向参考对MAV中相对定位的可观测性与稳定性有何影响？
• RQ3 在相对定位中，为补偿航向信息的缺失，需要多高的测距精度？
• RQ4 能否仅使用UWB与惯性测量实现实时、机载的相对定位，而无需外部基础设施？
• RQ5 当多个跟随者追踪单一领飞者时，系统性能如何？其可扩展性边界是什么？

主要发现

• 系统在仅使用机载传感器的200秒连续领飞-跟随飞行中，实现了22.6 cm的平均相对定位误差。
• 轨迹跟踪误差为50.8 cm，证明了真实飞行中自主跟随行为的可行性。
• 该方法成功支持两个跟随者同时追踪同一领飞者，证实其可扩展性超越单跟随者场景。
• 当增加第二个跟随者时，更新率从25 Hz降至16 Hz，表明通信开销是主要瓶颈。
• 仿真结果表明，基于磁强计的方法对磁干扰高度敏感，而所提方法则保持鲁棒性。
• 在时间延迟跟踪条件下系统仍保持可观测性，避免了会导致性能下降的不可观测运动模式。