[论文解读] Safe Platooning of Unmanned Aerial Vehicles via Reachability

Mo Chen, Qie Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 23被引用 13

一句话总结

本文提出了一种基于可达性的控制框架，用于确保单列队形中无人飞行器（UAV）编队飞行的安全性。通过将UAV建模为混合系统，并利用哈密顿-雅可比（HJ）可达性方法，该框架为任务目标合成活性控制器，并封装安全控制器以防止碰撞，即使在单一安全失效的情况下也能保证安全性——通过编队机动、故障和入侵者遭遇等仿真实验得到验证。

ABSTRACT

Recently, there has been immense interest in using unmanned aerial vehicles (UAVs) for civilian operations such as package delivery, firefighting, and fast disaster response. As a result, UAV traffic management systems are needed to support potentially thousands of UAVs flying simultaneously in the airspace, in order to ensure their liveness and safety requirements are met. Hamilton-Jacobi (HJ) reachability is a powerful framework for providing conditions under which these requirements can be met, and for synthesizing the optimal controller for meeting them. However, due to the curse of dimensionality, HJ reachability is only tractable for a small number of vehicles if their set of maneuvers is unrestricted. In this paper, we define a platoon to be a group of UAVs in a single-file formation. We model each vehicle as a hybrid system with modes corresponding to its role in the platoon, and specify the set of allowed maneuvers in each mode to make the analysis tractable. We propose several liveness controllers based on HJ reachability, and wrap a safety controller, also based on HJ reachability, around the liveness controllers. For a single altitude range, our approach guarantees safety for one safety breach; 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

• 解决在数千架UAV大规模交通中确保安全与活性的挑战。
• 通过将UAV组织为单列队形，克服哈密顿-雅可比（HJ）可达性中的维数灾难问题。
• 构建一种混合系统模型，以捕捉编队中UAV的角色与机动行为，从而实现可处理的可达性分析。
• 为编队形成与重构合成活性控制器，并集成安全控制器以防止碰撞。
• 通过单一高度范围证明在单起安全失效情况下安全性可被保证，并通过高度分层方法扩展至多重失效场景。

提出的方法

• 将每架UAV建模为具有对应其在编队中角色（如领航机、跟随机等）的模式的混合系统。
• 为每种模式定义受限机动集合，以降低系统复杂度，使HJ可达性计算上可行。
• 使用HJ可达性计算安全与活性目标的后向可达集，从而支持控制器合成。
• 设计基于HJ可达性的活性控制器，引导UAV向期望状态（如编队形成）移动。
• 在活性控制器外部封装安全控制器，利用HJ可达性确保避免不安全状态（如碰撞）。
• 通过利用单列队形结构，将HJ可达性所得的成对安全保证推广至整个编队。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在维数灾难，HJ可达性是否能有效应用于大规模UAV编队？
• RQ2 结构化编队形态如何在保持安全保证的同时降低可达性分析的计算负担？
• RQ3 何种控制架构能够同时实现UAV编队的活性（编队形成）与安全性（碰撞避免）？
• RQ4 在发生单一起安全失效（如UAV故障或入侵者）时，安全性如何维持？
• RQ5 在多重并发安全失效情况下，能否通过多个高度范围保证安全性？

主要发现

• 所提出的框架通过单一高度范围保证了单一起安全失效情况下的安全性，确保在编队场景中实现碰撞避免。
• 在多重安全失效情况下，通过使用多个高度层可维持安全性，从而扩展了该方法的适用性。
• 仿真结果表明，编队成功形成，且在某架UAV发生故障后（如改变方向）可实现重新配置。
• 如Q4和Q5等后方UAV通过切换至安全控制成功避开故障UAV，并在威胁解除后重新加入编队。
• 在入侵者场景中，安全控制器通过确保UAV保持在潜在威胁的安全可达集之外，有效防止了碰撞，该结果已通过验证。
• HJ可达性的应用使得即使在非线性、非凸系统中也能实现精确且形式化的安全保证，该结论通过四旋翼机的动态仿真得到验证。