浙江大学FAST-LabのYuhang Zhong氏の論文「A Trajectory-based Flight Assistive System for Novice Pilots in Drone Racing Scenario」がICRA 2024に掲載され、ファイナリスト3名に選出されました：
the IEEE ICRA Best Paper Award on Unmanned Aerial Vehicles
the IEEE ICRA Best Conference Paper Award
the IEEE ICRA Best Student Paper Award
ドローンレースにおける初心者向け飛行支援システム
ドローンレースとは、ドローンを操縦して指定された飛行経路を最短時間で完了させることを指す。 UAVは高速で連続飛行する必要があり、パイロットはUAVを巧みに操縦して高い操縦性と大きな姿勢飛行を行う必要がある。
このため、UAVパイロットには非常に高い技量が必要。 パイロットは飛行経路全体を熟知し、飛行経路上の障害物を避ける必要がある。
経験豊富なプロの相手でも、衝突の可能性が高く、飛行失敗につながる。 このような技術的要件により、初心者パイロットがスピード飛行に参加することは困難である。
本論文では、UAVレース飛行支援システムを提案し、初心者はもちろん、UAVに全く触れたことのない人でも、すぐに始められ、レース飛行を体験し、この活動に深く参加できるようにすることを目的とする。
このようなUAVレース飛行支援システムの設計にはいくつかの課題がある。
第一に、初心者は経験不足で操縦感覚が乏しいため、専門家の指導が必要である。 第二に、初心者の操縦は予測不可能であり、安全性に大きな課題がある。 第三に、そして最も重要なことだが、フライヤーに強い関心を持たせることが重要である。
アカデミックな世界では、完全に自律的なUAVレース飛行のための比較的成熟した一連のソリューションがすでに存在する。 人間が参加しなくても、UAVは自身のコンピューティング・プラットフォームだけに頼ることで、プロのフライヤーに匹敵する、あるいはそれを上回るレース飛行結果を達成することができる。
しかし、この方法では、フライヤーは参加しているという感覚に欠ける。
本論文では、UAVのレースフライトのパフォーマンスを向上させ、かつ人間のフライヤーが完全な参加感を得られるようなフライトアシスタンスシステムを設計したいと考えている。
そのためには、ユーザーの意図を正確に捉え、それをリアルタイムでUAVの動きにフィードバックする能力が必要である。 このレベルでは、自律型レースよりもアシスト型レースの実現が難しい。
システムフレームワーク
システム全体は、オフラインとオンラインの2つの部分からなるレイヤー構造を採用している。
1、オフライン前処理モジュールまず、レース会場とコースの点群マップを作成する。 比較的成熟したグローバル軌道計画法を使用して、専門家の基準として時間最適軌道を生成する。
そして、十分な広さの安全領域を提供するために、基準軌道に沿って高密度の安全飛行コリドーを生成し、いくつかの頭から尻尾までの多面体で安全空域を特徴付ける。
2. オンライン再正規化モジュールパイロットの入力を素早くカプセル化するために、リモートマッピングされたプリミティブが設計され、さらに意図を捉えるために、タイムマッピングされた軌道ベースの進行がカスタマイズされる。
そして、意図に合致し、滑らかで、実現可能かつ安全な軌道を周期的に生成する軌道プランナーが提案される。
3.ヨー角再計画の組み込み生成された軌道では、ヨー角の再プランニングが実行される。 その目的は、ドローンができるだけ早く次のターゲットポイントに目を向け、パイロットに最適な視点を提供し、操作をさらに容易にすることである。 これは飛行初心者にとって非常に重要である。
フライトアシストシステム構成図
実験による検証
システムの性能を検証するため、模擬実験と実機実験を行った。 実実験では、5人の参加者を招き、UAVレースのシナリオでUAVを操縦してもらった。 完走時間が記録され、最終順位が決定された。
レース中、UAVの飛行軌跡を検証するために、NOKOVメトリックモーションキャプチャシステムを用いてUAV関連の位置情報を取得した。
すべてのフライヤーは、最高速度が秒速3.0m以上の実シナリオのレースを成功裏に完走した。 全フライヤーの飛行軌跡とUAV飛行のスナップショットを以下に示す。 初心者パイロットでも、本研究で提案した飛行支援システムを使用することで、競技を成功させることができた。
優勝したフライヤーは、最高速度6.0m/s、平均速度ほぼ3.0m/sを達成した。
全フライトトラックとフライトスナップショット
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