This paper proposes an effective online coverage path planning algorithm for acquiring a point cloud map of a 3D structure without prior information using an unmanned aerial vehicle. Online coverage path planning for three-dimensional unknown environment has the problem that there are no restrictions on the workspace, which causes the high complexity of route planning calculation. Existing studies typically plan probability-based routes that can lead to path inefficiencies to overcome the high computational complexity of path planning. The proposed algorithm breaks away the increased complexity of path planning by using a non-stochastic method to plan routes in a workspace perpendicular to the surface by a certain distance. In addition, by using the expanded virtual sensor view considering the motion range of the unmanned aerial vehicle, the waypoints that consider the keyframe feature of the pose estimation algorithm are added to the path to minimize the pose error. In conclusion, the proposed coverage exploration algorithm is efficient for mapping the unknown infrastructure while the pose accuracy is preserved. To validate the performance of the proposed algorithm, mapping tasks on various infrastructure models with simulation environments were compared with state-of-the-art research in terms of covered space per time, mission time, maneuver distance and estimated pose error.
본 지에서는 무인기를 활용하여 사전 정보가 주어지지 않은 3차원 구조물의 점군 지도를 획득하는데 효율적인 실시간 커버리지 경로 계획 알고리즘을 제안한다. 3차원 미지 환경에서의 실시간 커버리지 경로 계획은 작업 공간에 제약이 없어 경로 계획 계산 복잡도가 높다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 기존의 연구에서는 일반적으로 경로의 비효율성을 야기할 수 있는 확률 기반 경로를 계획하여 이를 해결해왔다. 이와는 다르게 제안하는 알고리즘은 표면에서 수직한 방향으로 특정 거리만큼 떨어진 작업 공간에서 비확률적 방식을 통해 경로를 계획함으로써 경로 계획 계산 복잡도를 최소화한다. 또한, 생성된 경로에 위치 추정 알고리즘의 키프레임의 피쳐들이 센서뷰에 포함될 확률을 높이기 위해 무인기 가동 범위에 맞게 확장된 가상 센서뷰를 활용하여 위치 보정 경로를 추가하여 위치 추정 안정성이 높은 실시간 커버리지 경로 계획 알고리즘을 제안한다. 결론적으로 위치 추정정확도를 유지하면서 사전 정보가 없는 구조물의 지도를 생성하는데 효율적인 실시간 커버리지 탐사 알고리즘을 제안한다. 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 시뮬레이션 환경에서 다양한 구조물 형상에 대한 지도 생성 수행 능력을 시간당 생성된 지도 크기, 임무 수행 시간, 비행 거리, 추정 위치 오차의 측면에서 선행 연구와 비교하였다.
