Long Duration Inspection of GNSS-Denied Environments with a Tethered UAV-UGV Marsupial System

要約

無人航空機（UAV）は、操縦性が高く、到達が難しいエリアにアクセスする能力により、検査および緊急対応操作に不可欠なツールになりました。
ただし、限られたバッテリー寿命は、長期のミッションでの使用を大幅に制限しています。
このペーパーでは、Global Navigation Satellite System（GNSS）環境での自律的な長時間の検査タスク向けに特別に設計されたUAVと無人の接地車両（UGV）で構成される、斬新な有袋類のロボットシステムを紹介します。
このシステムは、UGVが運ぶ大容量のバッテリーパックに接続されたテザーを介して電力を供給することにより、UAVの運用時間を延長します。
既製のコンポーネントに基づいてハードウェアアーキテクチャを詳しく説明し、複製可能性を確保し、オープンソースコンポーネントで構成され、ロボットオペレーティングシステム（ROS）に構築されたフルスタックソフトウェアフレームワークを説明します。
提案されたソフトウェアアーキテクチャは、直接LIDARローカリゼーション（DLL）メソッドを使用して正確なローカリゼーションを可能にし、統合されたUGV-Tether-UAVシステムの安全なパス計画と調整された軌跡追跡を保証します。
3つのフィールド実験を通じてシステムを検証します。（1）運用期間を推定するための手動飛行耐久テスト、（2）自律ナビゲーションテスト、および（3）自律検査能力を実証するための検査ミッション。
実験結果は、システムの堅牢性と自律性、GNSS除去された環境で動作する能力、および長期延滞、自律検査、監視タスクの可能性を確認します。

要約(オリジナル)

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have become essential tools in inspection and emergency response operations due to their high maneuverability and ability to access hard-to-reach areas. However, their limited battery life significantly restricts their use in long-duration missions. This paper presents a novel tethered marsupial robotic system composed of a UAV and an Unmanned Ground Vehicle (UGV), specifically designed for autonomous, long-duration inspection tasks in Global Navigation Satellite System (GNSS)-denied environments. The system extends the UAV’s operational time by supplying power through a tether connected to high-capacity battery packs carried by the UGV. We detail the hardware architecture based on off-the-shelf components to ensure replicability and describe our full-stack software framework, which is composed of open-source components and built upon the Robot Operating System (ROS). The proposed software architecture enables precise localization using a Direct LiDAR Localization (DLL) method and ensures safe path planning and coordinated trajectory tracking for the integrated UGV-tether-UAV system. We validate the system through three field experiments: (1) a manual flight endurance test to estimate the operational duration, (2) an autonomous navigation test, and (3) an inspection mission to demonstrate autonomous inspection capabilities. Experimental results confirm the robustness and autonomy of the system, its capacity to operate in GNSS-denied environments, and its potential for long-endurance, autonomous inspection and monitoring tasks.

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