[论文解读] View Planning and Navigation Algorithms for Autonomous Bridge Inspection with UAVs

Kevin Yu, Prajwal Shanthakumar+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2019

Robotics and Sensor-Based Localization参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在无GPS环境下的自主无人机系统，用于对全桥进行检测，该系统采用二维激光雷达、用于在本地导航模式间切换的监督模块，以及生成最优检测路径的规划器。该方法可在最小飞行时间内实现对箱型梁桥的完整覆盖，已在真实桥梁结构的仿真中得到验证。

ABSTRACT

We study the problem of infrastructure inspection using an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in box girder bridge environments. We consider a scenario where the UAV needs to fully inspect box girder bridges and localize along the bridge surface when standard methods like GPS and optical flow are denied. Our method for overcoming the difficulties of box girder bridges consist of creating local navigation routines, a supervisor, and a planner. The local navigation routines use two 2D Lidars for girder and column flight. For switching between local navigation routines we implement a supervisor which dictates when the UAV is able to switch between local navigation routines. Lastly, we implement a planner to calculate the path along that box girder bridge that will minimize the flight time of the UAV. With local navigation routines, a supervisor, and a planner we construct a system that can fully and autonomously inspect box girder bridges when standard methods are unavailable.

研究动机与目标

• 实现无需依赖GPS或罗盘数据的箱型梁桥全自主无人机检测。
• 开发基于二维激光雷达在主梁和立柱上飞行的本地导航模式。
• 设计一种监督模块，根据结构上下文智能地在不同导航模式间切换。
• 设计一种规划器，计算最优的模式序列以最小化飞行时间并确保完整覆盖。
• 在真实桥梁模型上通过模拟无GPS条件下的无人机飞行对系统进行验证。

提出的方法

• 使用两个二维激光雷达检测主梁和立柱，实现基于相对位置的实时导航。
• 定义了针对特定桥面的本地导航模式（GL、GR、CU、CD），每种模式均配有专用控制律。
• 监督模块基于激光雷达识别的结构特征和状态估计，决定何时在不同模式间切换。
• 使用全局TSP（GTSP）求解器，计算基于桥梁几何结构生成的多边形规划表面的最优覆盖序列。
• 规划器输入源自离散化的桥梁模型，其中簇代表表面分段，节点表示覆盖方向。
• 系统通过MAVROS将规划器输出与实时无人机控制集成，实现在仿真中执行完整检测路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 当GPS和罗盘不可用时，无人机如何自主检测箱型梁桥？
• RQ2 哪些本地导航策略可仅使用二维激光雷达实现沿主梁和立柱的稳定飞行？
• RQ3 监督模块如何在检测过程中动态且安全地在不同导航模式间切换？
• RQ4 何种路径规划方法可在缺乏全局GPS信息的条件下保证完整覆盖并最小化飞行时间？
• RQ5 由本地模式、监督模块和全局规划器组成的混合系统，能否在真实桥梁环境中实现稳健且最优的检测？

主要发现

• 该系统成功在真实箱型梁桥模型上规划并仿真了完整的检测路径，该模型包含11个多边形表面。
• 基于GTSP的规划器在1.92秒内计算出最优序列，确保了最小飞行时间下的完整覆盖。
• 无人机在仿真中成功执行了规划路径，模式切换在绿色节点处被准确触发，验证了监督模块的功能。
• 飞行数据显示，沿主梁和立柱的导航稳定，激光雷达检测实现了精确的相对定位。
• 该方法可保证桥梁表面的完整覆盖，且无需依赖高精度全局地图或GPS。
• 该系统可扩展至其他桥型，已测试的四种模式（GL、GR、CU、CD）为总共八种模式奠定了基础。