[论文解读] RMF-Owl: A Collision-Tolerant Flying Robot for Autonomous Subterranean Exploration

Paolo De Petris, Huan X. Nguyen+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Robotic Path Planning Algorithms被引用 4

一句话总结

RMF-Owl 是一种抗撞、自主飞行的空中机器人，专为在无 GNSS 信号、障碍物密集的环境中进行韧性地下探索而设计。它集成了坚固的机载定位与地图构建系统，配合抗撞气动外形和实时目标检测功能，可在复杂地下环境中实现安全、长时间的自主探索，已在实地测试中得到验证，飞行距离超过 200 米，飞行时间达 8.1 分钟。

ABSTRACT

This work presents the design, hardware realization, autonomous exploration and object detection capabilities of RMF-Owl, a new collision-tolerant aerial robot tailored for resilient autonomous subterranean exploration. The system is custom built for underground exploration with focus on collision tolerance, resilient autonomy with robust localization and mapping, alongside high-performance exploration path planning in confined, obstacle-filled and topologically complex underground environments. Moreover, RMF-Owl offers the ability to search, detect and locate objects of interest which can be particularly useful in search and rescue missions. A series of results from field experiments are presented in order to demonstrate the system's ability to autonomously explore challenging unknown underground environments.

研究动机与目标

• 开发一种能够在受限、拓扑结构复杂且无 GNSS 信号的地下环境中实现自主探索的抗撞飞行机器人。
• 通过在传感器退化和控制不准确的情况下仍具备鲁棒性的机载定位与制图能力，实现韧性自主。
• 集成实时目标检测与定位功能，用于地下环境中搜救任务的应用。
• 通过在真实地下环境（如矿井和测试隧道）中的实地实验，验证系统性能。

提出的方法

• 该机器人采用定制设计的抗撞气动外形，配备刚性框架和防护笼，可在狭窄、障碍物密集的通道中导航时承受撞击。
• 机载自主系统集成视觉-惯性 SLAM 技术，实现实时定位与地图构建，支持在无 GNSS 环境下的运行。
• 路径规划模块基于重建的地图生成无碰撞轨迹，优先探索未访问区域。
• 基于 YOLO 的目标检测流程可识别并定位感兴趣物体，报告类别概率，并将下采样图像发送至地面站。
• 当存在网状网络时，系统通过 5GHz WiFi 进行通信，共享地图数据、里程计信息、电池状态和检测报告。
• 实地部署结合了机载感知、自主起降和导航返回策略，确保安全返回起飞点。

实验结果

研究问题

• RQ1 飞行机器人如何在障碍物密度高、传感器可用性有限的地下环境中实现韧性自主？
• RQ2 哪些设计原则能够在不牺牲敏捷性和有效载荷能力的前提下，实现狭窄空间内的高效抗撞性能？
• RQ3 单个机器人能否自主探索并绘制复杂地下拓扑结构，同时检测并定位感兴趣物体？
• RQ4 在无 GNSS 信号且传感器性能退化的条件下，机载定位与制图系统在多大程度上能保持精度？
• RQ5 目标检测功能的集成如何提升自主探索机器人在搜救任务中的实用性？

主要发现

• RMF-Owl 在 Løkken 矿井成功完成自主探索任务，飞行距离超过 200 米，飞行时长 6.6 分钟，穿越宽度不足 2.5 米的通道。
• 在 Versuchsstollen Hagerbach 测试隧道中，机器人探索了 14 米宽的区域，飞行时长 8.1 分钟，总飞行距离超过 200 米，最高速度达 1.2 m/s。
• 机器人展示了鲁棒的视觉-惯性 SLAM 性能，在完全黑暗和结构杂乱的环境中仍能保持精确的定位与地图构建。
• 飞行中成功执行了目标检测，系统能够识别并定位人工物体，将类别概率和下采样图像传输至地面站。
• 抗撞设计使机器人在导航过程中多次承受撞击后仍能完好无损，证实其在不可预测地下环境中的韧性。
• 系统在狭窄和开阔的地下环境中均实现了安全的自主起飞、探索和返航，验证了其韧性与自主性。