Accurate self and relative state estimation are the critical preconditions for completing swarm tasks, e.g., collaborative autonomous exploration, target tracking, search and rescue. This paper proposes Swarm-LIO: a fully decentralized state estimation method for aerial swarm systems, in which each drone performs precise ego-state estimation, exchanges ego-state and mutual observation information by wireless communication, and estimates relative state with respect to (w.r.t.) the rest of UAVs, all in real-time and only based on LiDAR-inertial measurements. A novel 3D LiDAR-based drone detection, identification and tracking method is proposed to obtain observations of teammate drones. The mutual observation measurements are then tightly-coupled with IMU and LiDAR measurements to perform real-time and accurate estimation of ego-state and relative state jointly. Extensive real-world experiments show the broad adaptability to complicated scenarios, including GPS-denied scenes, degenerate scenes for camera (dark night) or LiDAR (facing a single wall). Compared with ground-truth provided by motion capture system, the result shows the centimeter-level localization accuracy which outperforms other state-of-the-art LiDAR-inertial odometry for single UAV system.


翻译:精确的自身与相对状态估计是完成集群任务(如协同自主探索、目标跟踪、搜救等)的关键前提。本文提出Swarm-LIO:一种面向空中集群系统的完全去中心化状态估计方法,其中每架无人机仅基于激光雷达-惯性测量,实时执行精确的自身状态估计,通过无线通信交换自身状态与相互观测信息,并估计相对于其他无人机的相对状态。提出了一种新颖的基于3D激光雷达的无人机检测、识别与跟踪方法,以获取队友无人机的观测信息。随后,将相互观测测量与IMU及激光雷达测量紧密耦合,以联合进行实时且精确的自身状态与相对状态估计。大量真实实验表明,该方法对复杂场景(包括GPS拒止环境、相机退化场景(黑夜)或激光雷达退化场景(面对单面墙体))具有广泛适应性。与运动捕捉系统提供的真值对比,结果显示其厘米级定位精度优于其他单无人机系统的先进激光雷达-惯性里程计方法。

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