Safe and Scalable Real-Time Trajectory Planning Framework for Urban Air Mobility

要約

この文書では、安全かつスケーラブルな都市航空モビリティ (UAM) のためのリアルタイムの軌道計画フレームワークを紹介します。
提案されたフレームワークは、各航空機が独立して分離保証と衝突解決を実行し、近くの航空機の将来の状態を考慮して安全な軌道を生成する、分散型の自由飛行運用概念を採用しています。
このフレームワークは、データ駆動型到達可能性分析ツールと効率的なマルコフ意思決定プロセス (MDP) ベースの意思決定者という 2 つの主要コンポーネントで構成されています。
到達可能性分析は、シミュレーションされた軌道からオンラインで学習された不一致関数を通じて、各航空機の到達可能なセットを過大近似します。
一方、意思決定者は、固定翼航空機の 6 自由度誘導モデルを使用して、衝突のない軌道計画を保証します。
さらに、提案されたフレームワークには、安全パフォーマンスを向上させるために、報酬形成およびアクションシールド技術が組み込まれています。
提案されたフレームワークは、UAM 設定で最大 32 機の航空機が関与するシミュレーション実験を通じて評価され、性能は近中空衝突 (NMAC) の数と計算時間によって測定されます。
結果は、提案されたフレームワークの安全性と拡張性を示しています。

要約(オリジナル)

This paper presents a real-time trajectory planning framework for Urban Air Mobility (UAM) that is both safe and scalable. The proposed framework employs a decentralized, free-flight concept of operation in which each aircraft independently performs separation assurance and conflict resolution, generating safe trajectories by accounting for the future states of nearby aircraft. The framework consists of two main components: a data-driven reachability analysis tool and an efficient Markov Decision Process (MDP) based decision maker. The reachability analysis over-approximates the reachable set of each aircraft through a discrepancy function learned online from simulated trajectories. The decision maker, on the other hand, uses a 6-degrees-of-freedom guidance model of fixed-wing aircraft to ensure collision-free trajectory planning. Additionally, the proposed framework incorporates reward shaping and action shielding techniques to enhance safety performance. The proposed framework is evaluated through simulation experiments involving up to 32 aircraft in a UAM setting, with performance measured by the number of Near Mid Air Collisions (NMAC) and computational time. The results demonstrate the safety and scalability of the proposed framework.

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