城市环境中安全无人机路径规划的三方风险建模与评估
最优化与控制
2021-07-06 v1 机器人学
摘要
先进空中交通(AAM)在城市环境中的各类应用便利了我们的日常生活与公共服务。作为自主实现这些应用的关键问题之一,路径规划问题已在以最小化行程距离、飞行时间与能量消耗为主要目标方面得到研究。然而,AAM在大都市区的运行带来了安全与社会问题。由于大多数AAM飞行器为无人机(UAV),其可能发生运行故障,从而对公众造成致死风险、财产损失风险及社会影响(噪声与隐私)。为在规划阶段定量评估并缓解这些风险,本文提出一种综合风险评估模型,并开发了一种混合算法来求解基于风险的3D路径规划问题。该综合风险评估方法考虑了无人机撞击地面人员与车辆的概率模型与严重度模型。通过引入重力模型,以更精细的尺度估算人口密度与交通密度,从而实现更准确的风险评估。该基于风险的3D路径规划问题首先被表述为一类特殊的最小费用流问题。随后,提出一种混合的分布估计算法(EDA)与基于风险的A*算法(称为EDA-RA*)来求解该问题。为提高计算效率,将k-means聚类方法融入EDA-RA*以提供全局与局部搜索启发式信息,由此形成了我们称之为EDA-FRA*的EDA与快速基于风险的A*算法。案例研究表明,该风险评估模型能够捕捉高风险区域,所生成的风险地图可实现城市复杂环境中的安全无人机路径规划。
引用
@article{arxiv.2107.01834,
title = {Third Party Risk Modelling and Assessment for Safe UAV Path Planning in Metropolitan Environments},
author = {Bizhao Pang and Xinting Hu and Wei Dai and Kin Huat Low},
journal= {arXiv preprint arXiv:2107.01834},
year = {2021}
}