[论文解读] Technical Report: Safe, Aggressive Quadrotor Flight via Reachability-based Trajectory Design

Shreyas Kousik, Patrick Holmes+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于可达性的轨迹设计（RTD）框架，用于四旋翼飞行器，通过使用平行多面体（zonotopes）建模与轨迹相关的跟踪误差，实现了在复杂环境中的安全、高速飞行。该方法离线计算前向可达集（FRS），并在在线阶段实时选择无碰撞轨迹，实现在500次模拟中速度高达5 m/s时零碰撞，且相比均匀障碍物膨胀方法效率更高。

ABSTRACT

Quadrotors can provide services such as infrastructure inspection and search-and-rescue, which require operating autonomously in cluttered environments. Autonomy is typically achieved with receding-horizon planning, where a short plan is executed while a new one is computed, because sensors receive limited information at any time. To ensure safety and prevent robot loss, plans must be verified as collision free despite uncertainty (e.g, tracking error). Existing spline-based planners dilate obstacles uniformly to compensate for uncertainty, which can be conservative. On the other hand, reachability-based planners can include trajectory-dependent uncertainty as a function of the planned trajectory. This work applies Reachability-based Trajectory Design (RTD) to plan quadrotor trajectories that are safe despite trajectory-dependent tracking error. This is achieved by using zonotopes in a novel way for online planning. Simulations show aggressive flight up to 5 m/s with zero crashes in 500 cluttered, randomized environments.

研究动机与目标

• 使自主四旋翼飞行器能够在未知、复杂的环境中高速飞行，同时在存在动态不确定性的情况下仍确保安全。
• 解决基于样条的规划器采用均匀障碍物膨胀以补偿跟踪误差所导致的过度保守问题。
• 将基于可达性的轨迹设计（RTD）扩展至具有高维状态空间的三维四旋翼动力学系统。
• 在不每次迭代重新计算可达集的前提下，将与轨迹相关的跟踪误差（依赖于控制输入和轨迹形状）整合进实时规划中。
• 通过大规模模拟在高速飞行条件下验证该方法的有效性。

提出的方法

• 通过使用包含位置、速度、姿态和角速度的13维状态向量，将RTD方法扩展至三维四旋翼动力学。
• 采用平行多面体可达性方法，离线计算包含所有可能轨迹及其跟踪误差的前向可达集（FRS），利用平方和（SOS）规划实现。
• 基于控制输入和系统动力学，推导出一种新型的与轨迹相关的跟踪误差近似方法，并将其嵌入FRS中，以反映真实的不确定性。
• 将FRS投影至轨迹参数空间，使在线阶段可通过检查参数空间中与障碍物的交集关系，实现安全轨迹的选择。
• 在每次规划迭代中，算法选择一个最小化代价函数（如到前瞻航点的距离）的轨迹，同时确保整个可达集不与障碍物相交。
• 通过离线预计算FRS并将其作为查找结构用于实时安全轨迹选择，避免在每次迭代中重新计算FRS。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于平行多面体的可达性能否有效应用于高维、三维四旋翼动力学系统，以建模与轨迹相关的不确定性？
• RQ2 与均匀障碍物膨胀相比，将与轨迹相关的跟踪误差纳入规划，如何提升规划效率并降低保守性？
• RQ3 所提出的RTD框架能否实现在复杂、随机环境中的实时、安全轨迹规划，飞行速度高达5 m/s？
• RQ4 该方法在不发生碰撞的前提下，能在多大程度上保持安全保证并支持高速飞行？
• RQ5 离线计算的FRS能否在在线阶段被重用，以确保在每次规划步骤均不重新计算可达集的前提下维持实时性能？

主要发现

• 在500次随机生成的复杂环境中（含障碍物和12 m传感器视距），该方法实现了零碰撞。
• 在采用与轨迹相关的跟踪误差时，四旋翼飞行器在91.2%的试验中成功抵达目标，优于采用恒定0.1 m跟踪误差时的84.8%成功率。
• 该方法成功处理了高达5 m/s的高速飞行，同时通过严格的可达性分析维持了安全性。
• 采用平行多面体可达性方法，使13维状态空间中的FRS得以计算，显著提升了该方法在完整四旋翼动力学中的适用性。
• 离线计算的FRS使实时在线规划成为可能，且无需在每次迭代中重新计算可达集，确保了计算可行性。
• 仿真结果证实，与均匀障碍物膨胀相比，纳入与轨迹相关的不确定性可降低保守性，从而生成更具侵略性且更可行的轨迹。