[论文解读] Reachability-Based Safety and Liveness of Unmanned Aerial Vehicle Platoons on Air Highways

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

Robotic Path Planning Algorithms被引用 2

一句话总结

本文提出了一种用于无人机在空中高速公路行驶的编队框架，以在大规模无人航空交通中实现可处理的安全性和活性保证。通过哈密顿-雅可比可达性分析与快速行进法，该方法确保了在模式切换过程中的安全性，并支持实时高速公路重配置，对每个飞行器在每个高度范围内最多允许一次安全漏洞的情况下，提供可证明的安全性。

ABSTRACT

Recently, there has been immense interest in using unmanned aerial vehicles (UAVs) for civilian operations. As a result, unmanned aerial systems traffic management is needed to ensure the safety and goal satisfaction of potentially thousands of UAVs flying simultaneously. Currently, the analysis of large multi-agent systems cannot tractably provide these guarantees if the agents' set of maneuvers is unrestricted. In this paper, platoons of UAVs flying on air highways is proposed to impose an airspace structure that allows for tractable analysis. For the air highway placement problem, the fast marching method is used to produce a sequence of air highways that minimizes the cost of flying from an origin to any destination. The placement of air highways can be updated in real-time to accommodate sudden airspace changes. Within platoons traveling on air highways, each vehicle is modeled as a hybrid system. Using Hamilton-Jacobi reachability, safety and goal satisfaction are guaranteed for all mode transitions. For a single altitude range, the proposed 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 platooning concept through simulations of three representative 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与目标达成的挑战。
• 通过空中高速公路对空域进行结构化，以降低多智能体系统分析中的计算不可行性。
• 实现实时适应空域突发变化的空中高速公路配置调整。
• 通过可达性分析的正式验证，确保无人机编队的安全性与活性。
• 在每个飞行器存在多个安全漏洞的情况下，将安全保证扩展至多个高度范围。

提出的方法

• 将编队中的无人机建模为混合系统，以捕捉离散模式切换与连续动力学。
• 应用快速行进法计算最优空中高速公路路径，以最小化从起点到任意目的地的飞行成本。
• 使用哈密顿-雅可比可达性分析计算可达集，并验证所有模式切换过程中的安全性和目标达成。
• 将空域划分为离散高度范围，以在存在多个安全漏洞的情况下管理安全保证。
• 集成空中高速公路位置的实时更新，以适应动态空域变化。
• 通过三种典型无人机编队场景的仿真验证该框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何最优地布置空中高速公路，以在最小化飞行成本的同时，为无人机编队提供可处理的安全性分析？
• RQ2 何种形式化方法可确保无人机在编队中模式切换期间的安全性与活性？
• RQ3 在存在多个安全漏洞的情况下，安全保证是否可以维持？若可维持，其条件是什么？
• RQ4 如何实现实时更新空中高速公路配置，以应对突发的空域变化？
• RQ5 可达性分析在多架无人机大规模运行中，能在多大程度上确保目标达成与安全性？

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，同时支持可扩展分析。
• 哈密顿-雅可比可达性分析确保了无人机编队内所有模式切换过程中的安全性与目标达成。
• 在单个高度范围内，每个飞行器最多允许一次安全漏洞时，安全性可得到保证。
• 在存在多个安全漏洞的情况下，通过结构化规划，可在多个高度范围内保持安全性。
• 该框架支持空中高速公路的实时重配置，以适应动态空域条件。
• 三种典型场景的仿真验证了该编队方法的可行性与鲁棒性。