Autonomous Flights inside Narrow Tunnels

要約

マルチローターは通常、検査、捜索、救助などを含むさまざまな用途で人間がほとんどアクセスできない閉じ込められた狭いトンネルに入るために望まれます。
このタスクは、幾何学的な特徴と照明が不足しているため、限られた視野とともに、知覚に問題を引き起こすため、非常に困難です。
制限されたスペースと重大なエゴ気流障害は、制御の問題を引き起こします。
このペーパーでは、直径0.5 mの狭いトンネルをナビゲーション用に設計した自律航空システムを紹介します。
リアルタイムおよびオンラインシステムには、ミッションに合わせて調整された仮想オムニ方向性認識モジュールと、それぞれカメラ投影と計算流体ダイナミクス分析を使用してモデル化された知覚およびエゴ気流乱れ因子を組み込んだ新しいモーションプランナーが含まれます。
カスタム設計された象限での広範な飛行実験は、複数の現実的な狭いトンネルで実施され、システムの優れたパフォーマンスを検証し、人間のパイロットを超えて、実際のアプリケーションの可能性を証明しています。
さらに、他のマルチロータープラットフォームの展開パイプラインの概要が概説されており、将来の開発のためにオープンソースパッケージが提供されています。

要約(オリジナル)

Multirotors are usually desired to enter confined narrow tunnels that are barely accessible to humans in various applications including inspection, search and rescue, and so on. This task is extremely challenging since the lack of geometric features and illuminations, together with the limited field of view, cause problems in perception; the restricted space and significant ego airflow disturbances induce control issues. This paper introduces an autonomous aerial system designed for navigation through tunnels as narrow as 0.5 m in diameter. The real-time and online system includes a virtual omni-directional perception module tailored for the mission and a novel motion planner that incorporates perception and ego airflow disturbance factors modeled using camera projections and computational fluid dynamics analyses, respectively. Extensive flight experiments on a custom-designed quadrotor are conducted in multiple realistic narrow tunnels to validate the superior performance of the system, even over human pilots, proving its potential for real applications. Additionally, a deployment pipeline on other multirotor platforms is outlined and open-source packages are provided for future developments.

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