AMSwarmX: Safe Swarm Coordination in CompleX Environments via Implicit Non-Convex Decomposition of the Obstacle-Free Space

要約

複雑な環境でのクアッドローターの動作計画では、安全飛行回廊 (SFC) の概念を活用して、静的な障害物の回避を容易にします。
通常、SFC は、環境の自由空間を立方体、凸多面体、または球体に凸分解することによって構築されます。
ただし、クアッドローターの群れを扱う場合、そのような SFC は過度に保守的になる可能性があり、クアローターが調整するために利用できる空きスペースが大幅に制限されます。
この論文では、保守的な自由空間近似を構築する必要のない、交互最小化ベースのアプローチを紹介します。
代わりに、静的衝突制約と動的衝突制約の両方が統一された方法で処理されます。
動的衝突は、クアッドローターの共有位置軌道に基づいて処理されます。
静的障害物回避は、Octomap からの距離クエリと組み合わされて、自由空間の暗黙的な非凸分解を提供します。
結果として、私たちのアプローチは任意の複雑な環境に拡張可能です。
シミュレーションでの広範な比較を通じて、SFC ベースのアプローチと比較して、成功率が $60\%$ 向上、ミッション完了時間は平均 $1.8\times$ 削減、エージェントあたりの計算時間は平均 $23\time$ 削減されることを実証しました。
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また、障害物が多い環境で最大 12 個のクアッドローターからなる Crazyflie クアローター群を使用して、アプローチを実験的に検証しました。
コード、補足資料、ビデオは参考のために公開されています。

要約(オリジナル)

Quadrotor motion planning in complex environments leverage the concept of safe flight corridor (SFC) to facilitate static obstacle avoidance. Typically, SFCs are constructed through convex decomposition of the environment’s free space into cuboids, convex polyhedra, or spheres. However, when dealing with a quadrotor swarm, such SFCs can be overly conservative, substantially limiting the available free space for quadrotors to coordinate. This paper presents an Alternating Minimization-based approach that does not require building a conservative free-space approximation. Instead, both static and dynamic collision constraints are treated in a unified manner. Dynamic collisions are handled based on shared position trajectories of the quadrotors. Static obstacle avoidance is coupled with distance queries from the Octomap, providing an implicit non-convex decomposition of free space. As a result, our approach is scalable to arbitrary complex environments. Through extensive comparisons in simulation, we demonstrate a $60\%$ improvement in success rate, an average $1.8\times$ reduction in mission completion time, and an average $23\times$ reduction in per-agent computation time compared to SFC-based approaches. We also experimentally validated our approach using a Crazyflie quadrotor swarm of up to 12 quadrotors in obstacle-rich environments. The code, supplementary materials, and videos are released for reference.

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