Online Whole-body Motion Planning for Quadrotor using Multi-resolution Search

Y. Ren, S. Liang, F. Zhu, G. Lu and F. Zhang, β€œOnline Whole-Body Motion Planning for Quadrotor using Multi-Resolution Search,” 2023 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), London, United Kingdom, 2023, pp. 1594-1600, doi: 10.1109/ICRA48891.2023.10160767.

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Liu et al. κ³Ό Han et al. 이 κ°€μ§€κ³  μžˆλŠ” 문제λ₯Ό 일뢀 ν•΄κ²°ν•˜λ©΄μ„œ λͺ¨λ₯΄λŠ” 지도에 λŒ€ν•œ 졜적 경둜 생성에 λŒ€ν•œ λ…Όλ¬ΈμœΌλ‘œ, λŒ€λ‹€μˆ˜λŠ” GCOPTER 논문을 기반으둜 ν•˜λ˜ ν”„λ ˆμž„ μ›Œν¬λ₯Ό μ œμ•ˆν•˜μ˜€λ‹€.

μ£Όμš” contribution

  • 쒁은 지역은 full pose (=) planning을 ν•˜κ³  μ΄μ™Έμ˜ 지역은 position planning을 ν•˜λ„λ‘ ν•˜λŠ” hierachical framework λ₯Ό μ œμ•ˆ
  • 라이닀λ₯Ό μ΄μš©ν•΄ λͺ¨λ₯΄λŠ” μ§€ν˜•μ—μ„œ 비행이 κ°€λŠ₯ν•˜κ³  μ œμ•ˆν•œ ν”„λ ˆμž„ μ›Œν¬λ₯Ό 톡해 μ˜¨λ³΄λ“œλ‘œ μ»΄ν“¨νŒ…μ΄ κ°€λŠ₯함

문제점

  • μ˜€ν”ˆ μ†ŒμŠ€λ‘œ λ‚΄μš©μ„ κ³΅κ°œν•˜μ§€ μ•Šμ•˜λ‹€
  • 그리고 μ—μ„œ νƒ€μ›μ²΄λ‘œ λͺ¨λΈλ§ ν•˜λŠ” κ²ƒμ—μ„œ μ΄μŠˆκ°€ λ°œμƒν•  수 있음
  • μƒˆλ‘œ μ œμ•ˆν•œ μ—¬λŸ¬ λ°©μ‹μ—μ„œ κ°œμ„ μ μ΄ μžˆμ„ 수 있음
    1. Parallel multi-resolution search: 더 λ³΅μž‘ν•œ ν™˜κ²½ ν˜Ήμ€ ν‹ˆκ³Ό 넓은 곡간이 같이 μžˆλŠ” κ²½λ‘œμ—μ„œ λΉ„νš¨μœ¨μ μΈ 경둜 κ³„νš κ°€λŠ₯
    2. Seed generation method: κΈ°μ‘΄ polyhedron 생성 λ°©λ²•μ—μ„œ overlap이 μƒκΈ°λŠ” 것을 κ°œμ„ ν•˜κ³ μž λ„μž…ν•œ 방식인데, 방식이 λͺ…λ£Œν•˜μ§€ μ•ŠμŒ.(κ·ΈλŸ¬λ‚˜ μ½”λ“œκ°€ κ³΅κ°œλ˜μ§€ μ•Šμ•„μ„œ μ–΄λ–€ μ‹μœΌλ‘œ μ‹€ν—˜μ—μ„œ μ μš©ν•˜μ˜€λŠ”λ° λΆˆλΆ„λͺ…함)
    3. 와 경둜 κ°„μ˜ μ—°κ²°

Introduction

planning λ…Όλ¬Έλ“€κ³Ό planning 논문듀을 μ œμ‹œν•˜κ³  단점듀을 μ§€μ ν•˜λŠ” λΆ€λΆ„λ“€λ§Œ μš”μ•½ν•΄μ„œ 정리함.

Simply ignore the shape and orientation of the drone

  1. Jesus Tordesillas, Brett T Lopez, Michael Everett, and Jonathan P How. Faster: Fast and safe trajectory planner for navigation in unknown environments. IEEE Transactions on Robotics, 38(2):922–938, 2021.
  2. Xin Zhou, Zhepei Wang, Hongkai Ye, Chao Xu, and Fei Gao. EGO-Planner: An ESDF-free gradient-based local planner for quadrotors. IEEE Robotics and Automation Letters, 6(2):478– 485, 2021.
  3. Yunfan Ren, Fangcheng Zhu, Wenyi Liu, Zhepei Wang, Yi Lin, Fei Gao, and Fu Zhang. Bubble planner: Planning high-speed smooth quadrotor trajectories using receding corridors. arXiv preprint arXiv:2202.12177, (Accepted by 2022 IROS), 2022.
  4. Boyu Zhou, Fei Gao, Jie Pan, and Shaojie Shen. Robust real-time UAV replanning using guided gradient-based optimization and topological paths. In 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pages 1208–1214. IEEE, 2020.
  5. Sikang Liu, Nikolay Atanasov, Kartik Mohta, and Vijay Ku-mar. Search-based motion planning for quadrotors using linear quadratic minimum time control. In 2017 IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems (IROS), pages 2872–2879. IEEE, 2017.

μœ„ 논문듀은 λ“œλ‘  λͺ¨λΈλ§μ„ ꡬ둜 ν•˜κ±°λ‚˜ orientation 을 λ¬΄μ‹œν•˜μ—¬ μ—μ„œ ν”Œλž˜λ‹ν•˜λŠ” μ„ ν–‰ 연ꡬ듀이닀.

잘 μ•Œλ €μ§„ Faster (T-RO λ…Όλ¬Έ)κ³Ό EGO-Planner와 Bubble Planner도 보이고 μ•žμ„œ μ •λ¦¬ν–ˆλ˜ Search-based planning using LQMTC 논문도 보인닀.

μ΄λŸ¬ν•œ 방식은 μ•žμ„œ μ—¬λŸ¬μ°¨λ‘€ λ‹€λ€˜λ˜ λŒ€λ‘œ μžμ„Έλ₯Ό κ³ λ €ν•˜μ§€ μ•Šμ•„ 보수적으둜 λΉ„ν–‰ν•˜κ³  dynamically feasible ν•˜λ‹€κ³  보기 μ–΄λ ΅λ‹€.

planning λ…Όλ¬Έλ“€μ˜ 큰 문제 쀑 ν•˜λ‚˜λŠ” unknown and unstructured ν™˜κ²½μ—μ„œ 경둜 κ³„νšν•˜μ§€ μ•ŠλŠ”λ‹€λŠ” 것이닀.

. but assumptions on the environment (small gaps)

  1. Giuseppe Loianno, Chris Brunner, Gary McGrath, and Vijay Kumar. Estimation, control, and planning for aggressive flight with a small quadrotor with a single camera and imu. IEEE Robotics and Automation Letters, 2(2):404–411, 2016.
  2. Toru Hirata and Makoto Kumon. Optimal path planning method with attitude constraints for quadrotor helicopters. In Proceedings of the 2014 International Conference on Advanced Mechatronic Systems, pages 377–381. IEEE, 2014.
  3. Jiarong Lin, Luqi Wang, Fei Gao, Shaojie Shen, and Fu Zhang. Flying through a narrow gap using neural network: an end-to-end planning and control approach. In 2019 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pages 3526–3533. IEEE, 2019.
  4. Shaohui Yang, Botao He, Zhepei Wang, Chao Xu, and Fei Gao. Whole-body real-time motion planning for multicopters. In 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pages 9197–9203. IEEE, 2021.
  5. Zhepei Wang, Xin Zhou, Chao Xu, and Fei Gao. Geometrically constrained trajectory optimization for multicopters. IEEE Transactions on Robotics, 2022.

μœ„ 논문듀은 μ§€λ‚˜κ°€μ•Ό ν•˜λŠ” ν‹ˆμ— λŒ€ν•΄ 미리 μ•Œκ³  μžˆλŠ” 것을 μ „μ œλ‘œ 경둜 κ³„νšμ΄ 이루어 μ Έμ„œ μ‹€μ œ ν™˜κ²½μ—μ„œ μ‚¬μš©ν•˜κΈ°μ—λŠ” μ–΄λ ΅κ±°λ‚˜ μ „μ—­ 지도가 ν•„μš”ν–ˆλ‹€.

Han et al. λ…Όλ¬Έμ—μ„œ μ–ΈκΈ‰λ˜μ—ˆλ“―μ΄ [6]-[8] 은 ν‹ˆμ„ μ§€λ‚˜λŠ” κ²ƒμ—λ§Œ μ΄ˆμ μ„ 많이 λ§žμΆ”μ—ˆκ³ , [9] λŠ” 이전 Post μ—μ„œ λ‹€λ£¨μ—ˆκ³  [10] 은 GCOPTER 논문이닀.

또 λ‹€λ₯Έ κΈ°μ‘΄ Planning μ—°κ΅¬μ˜ 문제점으둜 꼽은 것은 μ—°μ‚° νš¨μœ¨μ„±μ΄λ‹€. μ•„λ§ˆλ„ λ³Έ μ—°κ΅¬μ˜ contribution을 κ°•μ‘°ν•˜κ³ μž 넣은 κ²ƒμœΌλ‘œ λ³΄μ΄λŠ”λ°, μ•„λž˜ 연ꡬ듀을 꼽으며 수백 μ—μ„œ 수 초의 연산이 κ±Έλ¦°λ‹€κ³  ν•œλ‹€.

Recent online planning researchs

  1. Zhichao Han, Zhepei Wang, Neng Pan, Yi Lin, Chao Xu, and Fei Gao. Fast-racing: An open-source strong baseline for se(3) planning in autonomous drone racing. IEEE Robotics and Automation Letters, 6(4):8631–8638, 2021.
  2. Sikang Liu, Kartik Mohta, Nikolay Atanasov, and Vijay Kumar. Search-based motion planning for aggressive flight in se (3). IEEE Robotics and Automation Letters, 3(3):2439–2446, 2018.

Sikang λ…Όλ¬Έ κ³Ό 같이 λ¬Άμ—¬μ„œ 까인 λŠλ‚Œμ΄ μžˆμ§€λ§Œ, Han et al. 의 κ²½μš°μ—λ„ 이전 경둜 κ³„νšμ„ ν•„μš”λ‘œ ν•˜κ³  사싀 Yang et al. 논문을 GPU 병렬 μ»΄ν“¨νŒ…μœΌλ‘œ μ΅œμ ν™” ν•œ κ²ƒμ΄λ―€λ‘œ μ—¬μ „νžˆ κ½€ λ§Žμ€ μ‹œκ°„μ΄ μ†Œμš”λœλ‹€κ³  λ³Ό 수 μžˆλ‹€.

λ”°λΌμ„œ λ³Έ μ—°κ΅¬μ—μ„œλŠ” Multi-resolution search method λ₯Ό 톡해 넓은 μ§€μ—­μ—μ„œλŠ” planning 을 μˆ˜ν–‰ν•˜κ³  online planning 쀑 λ°œκ²¬λ˜λŠ” 쒁은 ν‹ˆμ— λŒ€ν•΄μ„œ planning 을 μˆ˜ν–‰ν•˜μ—¬ μœ„ λ¬Έμ œλ“€μ„ ν•΄κ²°ν•˜κ³ μž ν•œλ‹€.

μœ„μ—μ„œλ„ μΆ©λΆ„νžˆ μ„ ν–‰ 연ꡬ에 λŒ€ν•œ λ…Όμ˜κ°€ μ΄λ£¨μ–΄μ Έμ„œ ν•„μš”ν•œ λΆ€λΆ„ μœ„μ£Όλ‘œλ§Œ μš”μ•½.

μœ„μ—μ„œ [1]-[3] (Faster, EGO, Bubble-planner) κ³Ό μ•„λž˜ 두 논문듀은 기체λ₯Ό ꡬ둜 λͺ¨λΈλ§ν•˜μ—¬ configuration space λ₯Ό μ‰½κ²Œ ꡬ성할 수 μžˆμ—ˆκ³  μž₯μ• λ¬Ό νšŒν”Όμ— λŒ€ν•œ 보수적인 가정이 μ „μ œλœ planning 을 μˆ˜ν–‰ν•˜μ˜€λ‹€.

Quote

  1. Boyu Zhou, Fei Gao, Luqi Wang, Chuhao Liu, and Shaojie Shen. Robust and successful quadrotor trajectory generation for fast autonomous flight. IEEE Robotics and Automation Letters, 4(4):3529–3536, 2019.
  2. Fanze Kong, Wei Xu, Yixi Cai, and Fu Zhang. Avoiding dynamic small obstacles with onboard sensing and computation on aerial robots. IEEE Robotics and Automation Letters, 6(4):7869–7876, 2021.

그리고 [9]-[11] 인 Yang et al., GCOPTER, Han et al. 논문듀이 optimization-based λ°©μ‹μ˜ μ΅œμ‹  논문듀인데, 문제점으둜 꼽은 것듀은 μ•„λž˜μ™€ κ°™λ‹€.

μš°μ„  μ΅œμ ν™” 전에 μˆ˜ν–‰λ˜λŠ” μ „μ—­ 경둜 탐색을 ν¬ν•¨ν•˜λ©΄ 수백 κ°€ μ†Œμš”λœλ‹€λŠ” 점과, collision-free λ₯Ό μœ„ν•΄ μ‚¬μš©λ˜λŠ” flight corridor 방식이 λ•Œλ•Œλ‘œ infeasible ν•˜μ—¬ 쒁은 ν‹ˆμ„ μ§€λ‚˜λŠ” 것에 μ‹€νŒ¨ν•˜λŠ” κ²½μš°κ°€ μžˆλ‹€λŠ” 것이닀.

λ³Έ μ—°κ΅¬λŠ” GCOPTER λ…Όλ¬Έμ˜ λŒ€λΆ€λΆ„ 방식을 μ‚¬μš©ν•˜λ˜ 와 planning 을 ν˜Όν•©ν•˜κ³  flight corridor λ₯Ό 일뢀 μˆ˜μ •ν•˜μ—¬ μ£Όμ–΄μ§„ 지도 없이, μ‹€μ‹œκ°„μœΌλ‘œ 쒁은 ν‹ˆμ„ 높은 성곡λ₯ κ³Ό μ μ ˆν•œ μ»΄ν“¨νŒ… μ‹œκ°„ 으둜 비행토둝 ν•˜μ˜€λ‹€.

Preliminaries

A. System Modeling and Polynomial Trajectory

μ—¬κΈ°λŠ” 많이 λ‹€λ€˜λ˜ differentially flat system 에 λŒ€ν•œ λ‚΄μš©μ΄λ‹€. λ‹€λ₯Έ λ…Όλ¬Έλ“€μ—μ„œλŠ” yaw angle trajectory λ₯Ό 0으둜 λ‘λŠ” κ²½μš°κ°€ λ§Žμ•˜λŠ”λ° μ—¬κΈ°μ„œλŠ” μ§„ν–‰ λ°©ν–₯을 바라볼 수 μžˆλ„λ‘ 의 법선 λ°©ν–₯으둜 μ„€μ •ν•˜μ˜€λ‹€.

그리고 kinodynamic constraints λ˜ν•œ 이λ₯Ό μ΄μš©ν•΄ 속도, 가속도, jerk 의 상/ν•˜ν•œμœΌλ‘œ λ‘μ—ˆλ‹€. GCOPTER λ…Όλ¬Έ 방식을 μ°¨μš©ν•˜μ—¬ piece-wise polynomials 둜 경둜λ₯Ό ν‘œν˜„ν•˜μ—¬, 닀항식 κ³„μˆ˜μ™€ μ‹œκ°„ λ²‘ν„°λ‘œ μ •μ˜ν•˜μ˜€λ‹€.

μ—¬κΈ°μ„œ 살짝 ν—·κ°ˆλ¦¬λŠ” 뢀뢄은 으둜 이전 λ…Όλ¬Έλ“€κ³Ό 크기가 λ™μΌν•œλ°, 둜 두어 jerk κΉŒμ§€ 연속적일 수 μžˆλ„λ‘ ν•˜μ˜€λ‹€κ³  ν•œλ‹€.

이전 λ…Όλ¬Έμ—μ„œλŠ” 으둜 두고 snap κΉŒμ§€ 연속적이라고 ν‘œν˜„ν•˜μ˜€λ‹€. (μ•„λž˜ 이미지)

λ³΄λ‹€μ‹œν”Ό boundary condition μ΄λ―€λ‘œ μ°¨μˆ˜λŠ” κΉŒμ§€μ—¬μ„œ 두 벑터듀(닀항식 κ³„μˆ˜, μ‹œκ°„ κΈ°μ € 벑터) 크기가 κ°™λ‹€.

Question

  • 값에 λ”°λ₯Έ 닀항식 ꢀ적 연속성
  • μš°μ„  μ£Όμ–΄μ§€λŠ” initial and final state 의 크기에 따라 λ‹€ν•­μ‹μ˜ κ³„μˆ˜μ™€ μ°¨μˆ˜κ°€ μ •ν•΄μ§„λ‹€.
  • λ³Έ λ…Όλ¬Έμ—μ„œλŠ” 둜 initial and final state λ₯Ό μ£Όλ―€λ‘œ κ°€ 맞고 7μ°¨ 닀항식이 λ§Œλ“€μ–΄μ§€λ©° μ΄λŠ” jerk κΉŒμ§€ 연속성을 ν•„μš”λ‘œ ν•œλ‹€. λ˜ν•œ, control input으둜 snap을 μ‚¬μš©ν•˜λŠ” κ²ƒμœΌλ‘œ 보인닀.(λ…Όλ¬Έ μ„€λͺ… λͺ¨λ‘ 맞음)
  • 이전 λ…Όλ¬Έμ—μ„œλŠ” 으둜 μ‚¬μš©ν•˜κ³  jerk λ₯Ό control input 으둜 μ‚¬μš©ν•œλ‹€. κ·Έλ ‡λ‹€λ©΄ snap is always continuous on the whole trajectory κ°€ ν˜Όλ™λœλ‹€.
  • jerkλ₯Ό control input 으둜 ν•˜λ©΄ μ‹œμž‘κ³Ό λ§ˆμ§€λ§‰ state λŠ” κ°€μ†λ„κΉŒμ§€ 정보λ₯Ό μ€€λ‹€λŠ” 것이닀. λŒ€μ‹  쀑간 waypoint의 μœ„μΉ˜κ°€ μ£Όμ–΄μ§€λ―€λ‘œ Optimality Condition 에 μ˜ν•΄ 4차인 snap κΉŒμ§€ 연속적이닀.
  • κ·Έλ ‡λ‹€λ©΄ λ³Έ λ…Όλ¬Έμ—μ„œλŠ” 각 piece-wise polynomials κ°„μ˜ 연속을 μœ„ν•΄ 좔가적인 쑰건이 ν•„μš”ν•˜μ§€ μ•Šλ‚˜?

B. Safety Constraints

collision-free ν•œ 경둜λ₯Ό μœ„ν•΄ safe flight corridor (SFC) λ₯Ό μ‚¬μš©ν•œλ‹€.

각 경둜 κ³„νš 방식에 따라 λ‹€λ₯Έ λͺ¨λΈλ§μ„ μ‚¬μš©ν•œλ‹€. μ—μ„œλŠ” νš¨μœ¨μ„±μ„ μœ„ν•΄ κ°€μž₯ κΈ΄ μΆ•μ˜ 길이 의 λ°˜μ§€λ¦„μ„ κ°€μ§€λŠ” ꡬ둜 ν‘œν˜„ν•œλ‹€.

그리고 λ“œλ‘  λͺ¨λΈμ„ 점으둜 ν‘œν˜„ν•˜λŠ” λŒ€μ‹  μž₯애물듀을 만큼 ν™•μž₯ν•˜μ—¬ μƒκ°ν•˜λ©΄ (the configuration space by inflating all obstacle points with ) μ•„λž˜μ™€ 같은 μˆ˜μ‹μœΌλ‘œ SFC λ₯Ό ν‘œν˜„ν•  수 μžˆλ‹€.

그리고 μ—μ„œλŠ” 타원체λ₯Ό λ„μž…ν•˜μ—¬ Liu et al. κ³Ό 같이 μ‚¬μš©ν•  수 μžˆλ‹€. λ‹€λ§Œ, Liu et al. μ—μ„œλŠ” 타원체와 μž₯μ• λ¬Ό 점과의 ꡐ점을 μƒ˜ν”Œλ§μ„ 톡해 νŒλ‹¨ν•˜μ˜€μ§€λ§Œ, μ—¬κΈ°μ„œλŠ” -representation λ°©μ‹μœΌλ‘œ ν‘œν˜„ν•˜μ˜€λ‹€. 번째 polyhedron μ•ˆμ— μžˆλŠ” 번째 ꢀ적 에 λŒ€ν•΄ SFC μˆ˜μ‹μ€ μ•„λž˜μ™€ κ°™λ‹€.

이 λ•Œ λŠ” rotation matrix 이고 둜 타원체 λͺ¨μ–‘을 ν‘œν˜„ν•œ 것이닀.

뢀뢄은 unit sphere에 λŒ€ν•΄ νƒ€μ›μ²΄μ˜ 크기만큼 μ›λž˜μ˜ polyhedron이 λ–¨μ–΄μ Έ μžˆλŠ”μ§€λ‘œ μ΄ν•΄ν•˜μ˜€λ‹€. 즉 μ›λž˜μ˜ CoM λŒ€μ‹  타원체 크기만큼 μΆ©λŒν•˜μ§€ μ•ŠλŠ”μ§€λ₯Ό νŒλ‹¨ν•˜λŠ” 것이닀.

Note

  • Yang et al. μ—μ„œλŠ” Liu et al. μ—μ„œ νƒ€μ›μ²΄λ‘œ λͺ¨λΈλ§ ν•œ 것을 λΉ„νŒν•˜λ©΄μ„œ μž₯μΆ•μ˜ 길이둜만 ν•˜λ©΄ CoM 이 쀑앙이 μ•„λ‹Œ κ²½μš°μ— λ°œμƒν•  수 μžˆλŠ” 점을 μ§€μ ν–ˆλ‹€.
  • κ·Έλž˜μ„œ Yang et al. κ³Ό Han et al. μ—μ„œλŠ” vertex λ₯Ό κ°€μ§€κ³  λͺ¨λΈλ§ ν•˜μ—¬ μ§μœ‘λ©΄μ²΄λ‚˜ λ‹€λ©΄μ²΄λ‘œ λͺ¨λΈλ§ν•˜μ˜€λ‹€.
  • λ³Έ λ…Όλ¬Έμ—μ„œλŠ” κ·ΈλŸΌμ—λ„ 타원체λ₯Ό μ‚¬μš©ν•œ μ΄μœ κ°€ λ¬΄μ—‡μΌκΉŒ? μ—°μ‚° 속도λ₯Ό 쀄이기 μœ„ν•¨μ΄λ‚˜ 타원체 λ§ŒμœΌλ‘œλ„ μΆ©λΆ„νžˆ μž₯μ• λ¬Ό νšŒν”Όκ°€ 잘 λ˜μ–΄μ„œμΈκ°€?

C. Trajectory Generation

planning 은 μ£Όμ–΄μ§„ start state 와 goal state λ₯Ό κ°€μ§€κ³  collision-free ν•˜κ³  kinodynamic constraints λ₯Ό λ§Œμ‘±ν•˜λŠ” 경둜λ₯Ό μƒμ„±ν•œλ‹€.

RILS

  1. S. Liu et al., β€œPlanning dynamically feasible trajectories for quadrotors using safe flight corridors in 3-D complex environments,” IEEE Robot. Automat. Lett., vol. 2, no. 3, pp. 1688–1695, Jul. 2017.

이전 Fast-racing(Han et al.) μ—μ„œλ„ μ–ΈκΈ‰λœ RILS λ°©μ‹μœΌλ‘œ SFC λ₯Ό μ—°μ†μ μœΌλ‘œ λ§Œλ“€κ³  GCOPTER λ…Όλ¬Έμ˜ MINCO 경둜 μ΅œμ ν™”λ‘œ μƒμ„±ν•œλ‹€.

그리고 경둜 생성은 λ§ˆμ°¬κ°€μ§€λ‘œ GCOPTER λ…Όλ¬Έ 방식을 μ‚¬μš©ν•œλ‹€.

Planner

A. Colliding Segments Extraction

μš°μ„  μž₯애물을 κ³ λ €ν•˜μ§€ μ•Šκ³  Linear Quadratic Minimum Time 문제λ₯Ό ν‘ΈλŠ” λ°©μ‹μœΌλ‘œ global start state 와 global goal state κ°„μ˜ 경둜λ₯Ό μƒμ„±ν•œλ‹€.

Note

  • λ…Όλ¬Έ notation μ—μ„œ global start state 와 이전 챕터 goal state 의 ν‘œν˜„μ΄ κ²ΉμΉœλ‹€.

LQMT

  1. Mark W Mueller, Markus Hehn, and Raffaello D’Andrea. A computationally efficient motion primitive for quadrocopter trajectory generation. IEEE transactions on robotics, 31(6):1294– 1310, 2015.

λ‹€λ₯Έ λ…Όλ¬Έλ“€μ—μ„œ 지적할 수 μžˆλŠ” μ „μ—­ 경둜 생성을 둜 ν•˜μ—¬ dynamics κ°€ κ³ λ €λ˜μ§€ μ•Šμ€ 뢀뢄을 ν•΄κ²°ν•œ κ²ƒμœΌλ‘œ 보인닀.

κ·Έ ν›„μ—λŠ” μƒμ„±λœ κ²½λ‘œμ—μ„œ λ°œμƒν•˜λŠ” 좩돌 지점 을 μ°Ύμ•„λ‚Έλ‹€. μžμ„Έν•œ λ‚΄μš©μ€ Fig.3 의 (a) λ₯Ό 보자.

Question

  • μŒμ„ μ°Ύμ•„λ‚΄λŠ” 방식. μ–΄λ–€ μ§€μ μ—μ„œ 각 지점에 λŒ€ν•œ 정보λ₯Ό κ²°μ • μ§“λŠ”μ§€?

λ³Έ λ…Όλ¬Έμ—μ„œ μ œμ•ˆν•˜λŠ” multi-resolution search λŠ” μš°μ„  low-resolution map (LRM) κ³Ό high-resolution map (HRM) 으둜 κ΅¬μ„±λœλ‹€. LRM 은 기체의 μž₯μΆ• 길이 둜 λ§Œλ“€μ–΄μ§€κ³  HRM 은 단좕 길이 둜 λ§Œλ“€μ–΄ μ§„λ‹€.

이λ₯Ό μœ„ν•΄ νƒ€μ›μ²΄λ‘œ μ •μ˜ν•œ κ²ƒμœΌλ‘œ 보인닀.

Note

  • μ΄λŸ¬ν•œ λ°©μ‹μ˜ λ¬Έμ œμ μ€ 이전에 μ§€μ λœ λŒ€λ‘œ 타원체가 이상적이지 μ•Šμ€ κ²½μš°μ—λŠ”, 쒁은 ν‹ˆμ˜ 톡과 μ—¬λΆ€λ₯Ό 기체에 따라 ν‹€λ¦¬κ²Œ νŒλ‹¨ν•  수 μžˆλ‹€. (i.e. κ°€ 기체의 κ°€μž₯ 짧은 뢀뢄보닀 더 짧은 경우)

λ”°λΌμ„œ LRM 은 μ•žμ„  방식과 λ™μΌν•˜λ―€λ‘œ Whole-body motion planning 이 ν•„μš”ν•˜μ§€ μ•Šκ³ , HRM μ—μ„œ 졜적 μ œμ–΄κ°€ ν•„μš”ν•˜λ‹€κ³  λ³Ό 수 μžˆλ‹€.

각 지도에 λŒ€ν•΄μ„œ 탐색이 이루어지고 κ°€μž₯ λ¨Όμ € 탐색이 μ™„λ£Œλœ 지도에 λŒ€ν•΄ 경둜 κ³„νšμ΄ 이루어진닀. (e.g. Terminal or Suspend sign)

planning 을 μ‹œλ„ν•˜λ”λΌκ³  infeasible ν•  수 μžˆμœΌλ―€λ‘œ 이 λ•ŒλŠ” Suspend ν•˜λŠ” 것이닀.

C. SE(3) Trajectory Generation

이제 이전 μ±•ν„°μ—μ„œ planning 을 μ‹œλ„ν•˜λŠ” 경우, 이λ₯Ό SE(3) sub-problem 으둜 ν‘œν˜„ν•œλ‹€.

이제 λ‘œλΆ€ν„° κΉŒμ§€λ₯Ό μ—°κ²°ν•˜λŠ” SFC κ°€ ν•„μš”ν•œλ°, Yang et al., Han et al., RILS λ…Όλ¬Έ λͺ¨λ‘ 두 λ…Έλ“œ(or state) κ°„μ˜ SFC λ₯Ό κ³§λ°”λ‘œ μƒμ„±ν•˜κ³  μ΄λŠ” 두 corridor κ°„μ˜ overlap을 μ•ΌκΈ°ν•˜κΈ°λ„ ν•œλ‹€.

κ·Έλž˜μ„œ μƒμ„±λœ κ²½λ‘œκ°€ infeasible ν•΄μ§„λ‹€κ³  ν•œλ‹€.

Note

  • μ™œ infeasible ν•΄μ§€κ³  κΈ°μ‘΄ λ°©μ‹μ˜ μ–΄λ–€ λΆ€λΆ„ λ•Œλ¬ΈμΈμ§€ μžμ„Ένžˆ 생각해보기

λ³Έ λ…Όλ¬Έμ—μ„œλŠ” 이 문제λ₯Ό ν•΄κ²°ν•˜κΈ° μœ„ν•΄ a simple seed generation method 을 λ„μž…ν•˜μ˜€λ‹€.

μ—¬κΈ°μ„œλŠ” ꡬꡬ절절 μ„€λͺ…이 λ“€μ–΄κ°€μ„œ 그림을 λ³΄λŠ” 것이 이둭닀.

κ·Έλ¦Ό (a) μ—μ„œλŠ” μ „μ—­ κ²½λ‘œκ°€ μž₯애물에 λ§‰ν˜”μ§€λ§Œ μ˜†μ— 쒁은 ν‹ˆμ„ μ§€λ‚  수 있게 λ§Œλ“€μ–΄μ§„ HRM 을 ν‘œν˜„ν•œ 것이닀.

경둜 λŠ” νƒμƒ‰μœΌλ‘œ λ§Œλ“€μ–΄μ‘Œκ³  경둜점 μ—μ„œ κ°€μž₯ κ°€κΉκ²Œ μž₯μ• λ¬Όλ‘œ μΈμ‹λœ 지점(nearest occupied grid) λ₯Ό μ°ΎλŠ”λ‹€.

그리고 λ°©ν–₯으둜 νƒμƒ‰ν•˜μ—¬ 첫 번째둜 μž₯μ• λ¬Όλ‘œ μΈμ‹λœ 지점(the first occupied grid) λ₯Ό μ°Ύμ•„ 이λ₯Ό 에 λ„£λŠ”λ‹€. 이 λ•Œ μ‚¬μš©λœ λŠ” 에 λ„£λŠ”λ‹€.

그러면 이제 쒁은 ν‹ˆμ˜ κ°€μž₯자리(or μž₯μ• λ¬Ό κ°€μž₯자리)둜 생각할 수 μžˆλŠ” 와 ν‹ˆμ„ μ§€λ‚˜λŠ” 경둜점 이 생긴닀. 이 의 평균 λ°©ν–₯을 라고 ν•˜κ³  의 쀑심을 쀑심점 둜 μ •μ˜ν•œλ‹€.

의 길이λ₯Ό λ°©ν–₯ 벑터 에 νˆ¬μ˜ν•΄μ„œ μ–»μ–΄μ§„ 길이 둜 line seed λ₯Ό μ–»λŠ”λ‹€. (Fig. 5. (c) μ°Έκ³ )

이제 의 μ–‘ 끝점으둜 polyhedron λ₯Ό λ§Œλ“€κ³  λ₯Ό line seed 둜 ν•˜μ—¬ 쒁은 ν‹ˆμ„ μ§€λ‚˜λŠ” λ₯Ό λ§Œλ“ λ‹€.

μ΄λŸ¬ν•œ λ°©μ‹μœΌλ‘œ μƒμ„±λœ SFC μ—μ„œ 경둜 μ΅œμ ν™”κ°€ safety & dynamic constraints λ₯Ό λ§Œμ‘±ν•˜λ„λ‘ μƒμ„±λœλ‹€λ©΄ SE(3) segment 둜 λ§Œλ“€μ–΄μ§€κ³ ,

κ·Έλ ‡μ§€ μ•ŠμœΌλ©΄ sub-problem 으둜 λΆ„λ₯˜λ˜μ–΄ LRM μ—μ„œ low-resolution search(LRS) κ°€ μΌμ–΄λ‚œλ‹€.

D. R^3 Trajectory Generation

이제 좩돌 μ§€μ λ§ˆλ‹€ 생길 μˆ˜λ„ μžˆλŠ” 개의 SE(3) 경둜 쑰각듀이 μžˆλ‹€κ³  ν•˜μž. 이 κ²½λ‘œλ“€μ€ start states 와 goal states λ“€λ‘œ 이루어져 μžˆλ‹€.

이제 global start state 와 첫 SE(3) ꢀ적, ν˜Ήμ€ 연속적인 SE(3) κΆ€μ μ΄λ‚˜ λ§ˆμ§€λ§‰ SE(3) ꢀ적과 global goal state λ“€ 사이에 LRS 둜 생긴 경둜 ν˜Ήμ€ 좩돌이 μ—†λ˜ μ „μ—­ 경둜 κ°€ μžˆμ„ 것이닀.

μ΄μ „μ—λŠ” λ°©μ‹μœΌλ‘œ 사이에 μžˆλŠ” state 듀이 μžˆμ„ κ²ƒμ΄λ―€λ‘œ 이듀을 각각 start or goal state 둜 ν•˜μ—¬ 경둜 μ΅œμ ν™”λ₯Ό ν•΄μ„œ 경둜λ₯Ό λ§Œλ“€μ–΄ λ‚Έλ‹€.

Experiments

A. Benchmark Comparison

μ„ ν–‰ 연ꡬ듀과 λ‹€μ–‘ν•˜κ²Œ λΉ„κ΅ν•˜μ˜€λ‹€. λ‹€λ§Œ λ³Έ 연ꡬ μžμ²΄λŠ” κ³΅κ°œν•˜μ§€ μ•Šμ•„μ„œ 좔후에 비ꡐ가 μ–΄λ €μ›Œμ‘Œλ‹€.

μš”μ•½ν•˜μžλ©΄ Han et al. 보닀 ꢀ적이 μ§§κ±°λ‚˜ λΉ λ₯΄λ‹€κ³  보긴 μ–΄λ ΅μ§€λ§Œ, λΉ„μŠ·ν•œ μˆ˜μ€€μ˜ μ„±λŠ₯을 λ‚΄λŠ” λŒ€μ‹  훨씬 λΉ λ₯Έ μ†λ„λ‘œ, μ£Όμ–΄μ§„ 지도 없이 μˆ˜ν–‰ν•œλ‹€.

무엇보닀도 Han et al. 보닀 성곡λ₯ μ΄ μ›”λ“±νžˆ λ†’μœΌλ©° search-based λ°©μ‹μ˜ Liu et al. 이 κ°€μž₯ λ†’μ§€λ§Œ 이μͺ½μ€ μ‹œκ°„μ΄ λ„ˆλ¬΄ μ˜€λž˜κ±Έλ €μ„œ μ‹€μ‚¬μš©μ—λŠ” μ–΄λ ΅λ‹€.

B. Real-world Tests

μ‹€μ œ ν™˜κ²½μ—μ„œμ˜ ν…ŒμŠ€νŠΈκ°€ ꡉμž₯히 μ΅œμ‹  연ꡬ듀을 μ΄μ§‘ν•©ν•˜μ—¬ μˆ˜ν–‰ν•˜μ˜€λ‹€.

-live λ‚˜ Fast-LIO2, Bubble Planner 등을 μ‚¬μš©ν•˜μ˜€λ‹€.

Real-world tests

  1. Jiarong Lin and Fu Zhang. R3 live: A robust, real-time, rgbcolored, lidar-inertial-visual tightly-coupled state estimation and mapping package. In 2022 International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pages 10672–10678, 2022.
  2. Jiarong Lin and Fu Zhang. R3 live++: A robust, real-time, radiance reconstruction package with a tightly-coupled lidarinertial-visual state estimator. arXiv preprint arXiv:2209.03666, 2022.
  3. Wei Xu, Yixi Cai, Dongjiao He, Jiarong Lin, and Fu Zhang. Fast-lio2: Fast direct lidar-inertial odometry. IEEE Transactions on Robotics, 2022.
  4. Fangcheng Zhu, Yunfan Ren, and Fu Zhang. Robust real-time lidar-inertial initialization. arXiv preprint arXiv:2202.11006, (Accepted by 2022 IROS), 2022.
  5. Guozheng Lu, Wei Xu, and Fu Zhang. Model predictive control for trajectory tracking on differentiable manifolds. arXiv preprint arXiv:2106.15233, 2021.
  1. Yunfan Ren, Fangcheng Zhu, Wenyi Liu, Zhepei Wang, Yi Lin, Fei Gao, and Fu Zhang. Bubble planner: Planning high-speed smooth quadrotor trajectories using receding corridors. arXiv preprint arXiv:2202.12177, (Accepted by 2022 IROS), 2022.

We use an on-manifold model predictive controller [24] to perform high-accuracy trajectory tracking. To realize online planning and cope with newly sensed obstacles during the flight, we adopt a distance-triggered receding horizon planning scheme from our previous work [3]

사싀 β€œTo realize online planning and cope with newly sensed obstacles during the flight” 뢀뢄이 쑰금 이해가지 μ•Šμ§€λ§Œ manifold μ—μ„œμ˜ MPC 와 Bubble planner 논문을 λ³Ό ν•„μš”κ°€ μžˆμ–΄ 보인닀.

결과에 λŒ€ν•œ 사진과 μ˜μƒλ„ 잘 λ‚˜μ™€ μžˆλ‹€. 인상 κΉŠμ—ˆλ˜ 것은 Fig. 13. μ—μ„œ μ‹œκ°ν™”λ₯Ό μ–΄λ–€ μ‹μœΌλ‘œ ν•˜μ˜€λŠ”μ§€ κΆκΈˆν•˜λ‹€. Pointcloudκ°€ 반투λͺ… Box ν˜•νƒœλ‘œ λ‚˜μ˜€λŠ” 것도 보기에 ꡉμž₯히 μ’‹μ•„λ³΄μ΄μ§€λ§Œ, λͺ¨λΈλ§ν•œ λ“œλ‘ μ˜ μ›€μ§μž„μ΄ ν”„λ ˆμž„ λ³„λ‘œ λͺ¨λΈ / νƒ€μ›μ²΄λ‘œ 잘 ν‘œν˜„λ˜μ–΄ μžˆλ‹€.

Conclusion and Future work

λ³Έ λ…Όλ¬Έμ—μ„œ 꼽은 ν•œκ³„μ μœΌλ‘œλŠ” 쒁은 ν‹ˆμ˜ ν•œ μͺ½λ§Œ μΈμ‹ν•˜κΈ° λ•Œλ¬Έμ— 쒁은 ν‹ˆμ΄ 길게 λ‚˜ μžˆλŠ” κ²½μš°μ—λŠ” μ§€λ‚˜κ°ˆ 수 μ—†μ§€λ§Œ, 이λ₯Ό νŒŒμ•…ν•  수 μžˆλŠ” λ°©μ‹μ˜ 경둜 κ³„νšμ€ μ•„λ‹ˆλ‹€.

이λ₯Ό μœ„ν•΄μ„œλŠ” lateral motion 으둜 nonzero roll angle 을 μœ μ§€ν•  수 μžˆμ–΄μ•Ό ν•œλ‹€κ³  ν•œλ‹€. 이λ₯Ό perception-aware planning 을 톡해 쒁은 ν‹ˆμ„ μ œλŒ€λ‘œ μΈμ‹ν•˜μ—¬μ•Ό ν•œλ‹€κ³  ν•œλ‹€.

Note

  • 쑰금 더 생각해보면, λΌμ΄λ‹€μ˜ μ„Όμ„œ λ²”μœ„μ˜ 영ν–₯이 μžˆμ„ 것 κ°™λ‹€. 그리고 쒁은 ν‹ˆμ΄λ‚˜ whole-body motion planning 이 ν•„μš”ν•œ 상황이 쒁은 ν‹ˆμ„ λ„˜μ–΄ μ‹¬ν•˜κ±°λ‚˜, μ—°μ†μ μœΌλ‘œ μžˆλŠ” κ²½μš°λŠ” μ–΄λ–€ μ‹μœΌλ‘œ ν•΄κ²°ν•  수 μžˆμ„μ§€ κΆκΈˆν•˜λ‹€. (λŒ€λ‹€μˆ˜λŠ” unfeasible ν•˜μ—¬ κ²½λ‘œκ°€ 생기지 μ•Šμ„ 것 κ°™μ§€λ§Œ)
  • λ˜ν•œ, λ³Έ λ…Όλ¬Έμ—μ„œλŠ” 동적 μž₯μ• λ¬ΌκΉŒμ§€ ν•΄κ²°ν•  수 μžˆλŠ”μ§€μ— λŒ€ν•œ λ…Όμ˜κ°€ μ—†λ‹€. 처음 λΉ„νŒν•˜μ˜€λ˜ 수 λ°± 의 μ‹œκ°„μ΄ λΉ„μŠ·ν•˜κ²Œ λ‚˜μ™”κ³ , 동적 μž₯애물이 생겼을 λ•Œμ˜ μˆœκ°„μ μΈ 연산속도가 νšŒν”Όν•˜κΈ°μ— μΆ©λΆ„ν•œμ§€λ„ κΆκΈˆν•˜λ‹€.

정리 끄읏.