Topological Exploration using Segmented Map with Keyframe Contribution in Subterranean Environments

要約

既存の探索アルゴリズムは主に、特定のセンサー範囲または探索空間内でランダム サンプリングまたはモーション プリミティブ手法を使用してフロンティアを生成します。
しかし、制約された空間内でフロンティアが生成されると、大規模な環境では前後の操作が発生し、探査効率が低下します。
この問題に対処するために、私たちは 3D 高密度地図を利用してセグメント化された探査領域 (SER) を生成し、地球規模の観点からフロンティアを生成する手法を提案します。
特に、この論文では、LiDAR センサー ポイントの見通し内 (LOS) 機能を最大限に活用して、大規模な地下環境内の探査効率を向上させる、新しいトポロジー マップ生成アプローチを紹介します。
トポロジ マップには、各 SER を生成するキーフレームの寄与が含まれており、各フロンティアへのローカル パス プランニングとグローバル パス プランニングの間の切り替えによる迅速な探索が可能になります。
提案された手法は、大規模シミュレーション環境で最先端のアルゴリズムよりも高い探索ボリューム生成を達成し、探索ボリューム増加パフォーマンスが 62% 向上することを実証しました。
検証のために、実際の地下環境で UAV を使用してフィールド テストを実施し、この方法の効率と速度を実証しました。

要約(オリジナル)

Existing exploration algorithms mainly generate frontiers using random sampling or motion primitive methods within a specific sensor range or search space. However, frontiers generated within constrained spaces lead to back-and-forth maneuvers in large-scale environments, thereby diminishing exploration efficiency. To address this issue, we propose a method that utilizes a 3D dense map to generate Segmented Exploration Regions (SERs) and generate frontiers from a global-scale perspective. In particular, this paper presents a novel topological map generation approach that fully utilizes Line-of-Sight (LOS) features of LiDAR sensor points to enhance exploration efficiency inside large-scale subterranean environments. Our topological map contains the contributions of keyframes that generate each SER, enabling rapid exploration through a switch between local path planning and global path planning to each frontier. The proposed method achieved higher explored volume generation than the state-of-the-art algorithm in a large-scale simulation environment and demonstrated a 62% improvement in explored volume increment performance. For validation, we conducted field tests using UAVs in real subterranean environments, demonstrating the efficiency and speed of our method.

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