In this paper, we consider a Micro Aerial Vehicle (MAV) system teleoperated by a non-expert and introduce a perceptive safety filter that leverages Control Barrier Functions (CBFs) in conjunction with Visual-Inertial Simultaneous Localization and Mapping (VI-SLAM) and dense 3D occupancy mapping to guarantee safe navigation in complex and unstructured environments. Our system relies solely on onboard IMU measurements, stereo infrared images, and depth images and autonomously corrects teleoperated inputs when they are deemed unsafe. We define a point in 3D space as unsafe if it satisfies either of two conditions: (i) it is occupied by an obstacle, or (ii) it remains unmapped. At each time step, an occupancy map of the environment is updated by the VI-SLAM by fusing the onboard measurements, and a CBF is constructed to parameterize the (un)safe region in the 3D space. Given the CBF and state feedback from the VI-SLAM module, a safety filter computes a certified reference that best matches the teleoperation input while satisfying the safety constraint encoded by the CBF. In contrast to existing perception-based safe control frameworks, we directly close the perception-action loop and demonstrate the full capability of safe control in combination with real-time VI-SLAM without any external infrastructure or prior knowledge of the environment. We verify the efficacy of the perceptive safety filter in real-time MAV experiments using exclusively onboard sensing and computation and show that the teleoperated MAV is able to safely navigate through unknown environments despite arbitrary inputs sent by the teleoperator.


翻译:本文针对非专业人员遥操作的微型飞行器(MAV)系统,提出一种结合控制障碍函数(CBF)与视觉惯性同步定位与建图(VI-SLAM)及稠密三维占据地图的感知安全滤波器,以确保在复杂非结构化环境中的安全导航。该系统仅依赖机载惯性测量单元(IMU)测量值、立体红外图像和深度图像,当遥操作输入被判定为不安全时自主进行修正。我们将三维空间中满足以下任一条件的点定义为不安全:(i)被障碍物占据,或(ii)未被建图。在每个时间步,系统通过VI-SLAM融合机载测量值更新环境占据地图,并构建CBF以参数化三维空间中的(不)安全区域。基于CBF与VI-SLAM模块的状态反馈,安全滤波器计算经认证参考轨迹,该轨迹在满足CBF编码的安全约束的同时最佳匹配遥操作输入。与现有基于感知的安全控制框架不同,本文直接闭合感知-动作环路,在不依赖任何外部基础设施或环境先验知识的前提下,完整展示了安全控制与实时VI-SLAM的协同能力。我们通过完全基于机载传感与计算的实时MAV实验验证了感知安全滤波器的有效性,结果表明:尽管操作员发送任意输入,遥操作MAV仍能在未知环境中实现安全导航。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
10+阅读 · 2022年3月14日
VIP会员
最新内容
《履带式无人地面战车技术发展现状》
专知会员服务
4+阅读 · 8月2日
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
4+阅读 · 8月1日
美空军如何将人工智能从战场部署至后方机关
专知会员服务
13+阅读 · 7月31日
《史诗怒火行动:多域前瞻评估》49页报告
专知会员服务
12+阅读 · 7月31日
《英国防部:未来空战系统数字化战略》33页
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
《面向自主飞行网络的智能体人工智能架构》
专知会员服务
10+阅读 · 7月31日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员