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综合探索感知的无人机航线优化与路径规划
Integrated Exploration-Aware UAV Route Optimization and Path Planning

作者: Jimin Choi, Grant Stagg, Cameron K. Peterson 等4人
arXiv: 2605.28654v1
分类: cs.RO, eess.SY, math.OC
📝 论文摘要
无人机(UAV)正越来越多地被用于灾害区域、污染场地、野火区域和受损基础设施等危险环境中的探索驱动型监测。在这些场景中,有限的飞行续航时间必须在访问已报告位置与收集新信息之间进行分配。关于危险源的事先信息往往不完整、空间精度不足,且在任务执行过程中可能发生变化。例如,初始报告可能识别出某个存在潜在危险的区域,但实际危险源可能出现位移、部分被观测到或完全未被报告。我们提出了一种综合探索感知的无人机航线优化与路径规划框架,用于在不确定且动态变化的事先信息条件下进行危险监测。环境被表示为空间风险地图,每个位置都关联着危险状况的置信度信念。已报告的危险源被建模为不确定的感兴趣区域(ROI),而非已确认的目标位置,这要求无人机在检查已报告区域的同时,利用有限的飞行续航时间探索信息丰富的区域。该方法首先求解关于已报告ROI的车辆路径问题,通过添加辅助伪节点增强空间覆盖,将剩余飞行距离预算分配到各路径段,并为局部探索优化动态可行的B样条轨迹。在执行过程中,无人机测量值更新基于网格的信念地图,当新信息与剩余预算支持调整时,对剩余轨迹进行重规划。在48种场景配置下,在线重规划相较于离线优化规划器平均KL散度降低15.9%,相较于直线遍历降低48.6%。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 无人机(Uncrewed Aerial Vehicle, UAV)在危险环境(如灾害区、污染地、野火区)执行探索监测时,**有限飞行续航** 需在访问报告位置和收集新信息之间权衡 - 关于危险的**先验信息** 通常不完整、空间不精确且在执行过程中动态变化,现有方法缺乏有效处理不确定**兴趣区域(Region of Interest, ROI)** 的集成方案 - 需要一种能同时实现**报告区域检查** 与**未知区域探索**,并具备**在线自适应重规划** 能力的框架
🔧 核心方法
- 将环境表示为**空间风险图(spatial risk map)**,每个位置维护危险状况的**信念(belief)** - 建模报告危险为**不确定兴趣区域(uncertain ROI)**,而非确认目标点;求解**车辆路径问题(Vehicle Routing Problem, VRP)** 规划访问顺序 - 在路径中插入**辅助伪节点(auxiliary pseudo-nodes)** 以改善空间覆盖,并将剩余飞行距离预算分配到各路径段 - 优化**动态可行B样条轨迹(dynamically feasible B-spline trajectory)** 用于局部探索 - 执行期间,基于无人机测量更新**网格信念地图(grid-based belief map)**,当新信息和剩余预算证明合理时进行**在线重规划(online replanning)**
💡 核心创新
- **集成探索感知**:首次将**报告ROI访问** 与**探索性飞行** 统一在单一优化框架内,而非分离处理 - **不确定性建模**:将报告危险视为**不确定的ROI** (而非确定点),并引入**辅助伪节点** 提升空间覆盖效率 - **动态自适应**:结合**离线全局优化** 与**在线信念驱动重规划**,使路径能根据实时测量和剩余预算灵活调整 - **轨迹优化**:采用**B样条(B-spline)轨迹** 确保动态可行性,同时兼顾局部探索的灵活性
🏆 总体贡献
- 为**危险环境探索监测** 提供了一种新颖的**集成航线优化与路径规划框架**,平衡了**已知任务** 与**未知探索** - 在48个场景配置的模拟中,**在线重规划** 相比**离线优化规划器** 平均**KL散度(Kullback-Leibler divergence)减少15.9%**,相比**直线遍历** 减少48.6% - 框架具有**通用性**,可适用于先验信息不确定且动态变化的多种无人机监测场景