Large-Scale Exploration of Cave Environments by Unmanned Aerial Vehicles

要約

本論文では、人間の探検家、救急隊員、洞窟学者を助けるために、洞窟環境の自律的な探査において空中ロボットを堅牢に利用するための自己完結型システムを紹介する。提案するシステムは、未知で構造化されていない地下環境における任意の探査タスクに一般的に適用でき、ロボットの完全な自律性を提供するために重要なロボットサブシステムを相互接続する。このようなサブシステムには、主にマッピング、経路・軌道計画、定位、制御、および意思決定が含まれる。洞窟環境は多様で複雑、かつ構造的に不確実であるため、提案システムでは、単一のロボットだけでなく、協力するチームに対しても任意の探査戦略を使用することが可能である。各空中ロボットの限られた飛行時間を最大化するマルチロボット協調戦略は、すべての配置されたロボットが初期位置に戻るホーミングが必要ない探査や捜索・救助シナリオのために提案されています。システム全体は、現実の洞窟環境での数時間の飛行時間と、DARPA Subterranean Challengeロボット競技会のために開発された最先端の仮想テストベッドでの数百時間に及ぶ総合実験解析で検証されています。特に、未知の洞窟という過酷な環境下で、1つのバッテリーで470m以上移動する実環境での探索飛行を複数回実施した実験結果を紹介します。

要約(オリジナル)

This paper presents a self-contained system for the robust utilization of aerial robots in the autonomous exploration of cave environments to help human explorers, first responders, and speleologists. The proposed system is generally applicable to an arbitrary exploration task within an unknown and unstructured subterranean environment and interconnects crucial robotic subsystems to provide full autonomy of the robots. Such subsystems primarily include mapping, path and trajectory planning, localization, control, and decision making. Due to the diversity, complexity, and structural uncertainty of natural cave environments, the proposed system allows for the possible use of any arbitrary exploration strategy for a single robot, as well as for a cooperating team. A multi-robot cooperation strategy that maximizes the limited flight time of each aerial robot is proposed for exploration and search & rescue scenarios where the homing of all deployed robots back to an initial location is not required The entire system is validated in a comprehensive experimental analysis comprising of hours of flight time in a real-world cave environment, as well as by hundreds of hours within a state-of-the-art virtual testbed that was developed for the DARPA Subterranean Challenge robotic competition. Among others, experimental results include multiple real-world exploration flights traveling over 470 meters on a single battery in a demanding unknown cave environment.

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arxiv.jp, DeepL