Optimal Collaborative Transportation for Under-Capacitated Vehicle Routing Problems using Aerial Drone Swarms

要約

最近、都市物流や自動化建設におけるラストワンマイル配送のために、空中ドローンの群れが検討されています。
同時に、複数のドローンによるペイロードの共同輸送も、最近の研究のもう一つの重要な分野です。
ただし、多くのドローンによる多くのペイロードの共同輸送のための効率的な調整アルゴリズムはまだ検討されていません。
この研究では、ドローンの群れによるペイロードの共同輸送を、車両経路問題 (VRP) の能力不足の新しい一般化として定式化しますが、これもまた別の興味深いものとなる可能性があります。
標準 VRP や静電容量式 VRP とは対照的に、複数のドローンが協力して持ち上げるペイロードの待ち時間と、それに対応する調整をさらに考慮する必要があります。
アルゴリズム的には、デッドロックを回避するソリューション エンコーディングを提供し、問題を解決するための適切な交互最小化スキームを定式化します。
ハードウェア側では、アルゴリズムを衝突回避およびドローン コントローラーと統合します。
このアプローチとシステム統合の影響は、実際のナノクアッドコプターの群れとシミュレーションにおける大規模な群れの両方で経験的に検証されています。
全体として、当社は、単一のペイロードの輸送に必要な数のドローンのみを使用する、空中ドローン群による共同輸送のフレームワークを提供します。

要約(オリジナル)

Swarms of aerial drones have recently been considered for last-mile deliveries in urban logistics or automated construction. At the same time, collaborative transportation of payloads by multiple drones is another important area of recent research. However, efficient coordination algorithms for collaborative transportation of many payloads by many drones remain to be considered. In this work, we formulate the collaborative transportation of payloads by a swarm of drones as a novel, under-capacitated generalization of vehicle routing problems (VRP), which may also be of separate interest. In contrast to standard VRP and capacitated VRP, we must additionally consider waiting times for payloads lifted cooperatively by multiple drones, and the corresponding coordination. Algorithmically, we provide a solution encoding that avoids deadlocks and formulate an appropriate alternating minimization scheme to solve the problem. On the hardware side, we integrate our algorithms with collision avoidance and drone controllers. The approach and the impact of the system integration are successfully verified empirically, both on a swarm of real nano-quadcopters and for large swarms in simulation. Overall, we provide a framework for collaborative transportation with aerial drone swarms, that uses only as many drones as necessary for the transportation of any single payload.

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