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飛行制御/外乱抑制arXiv:2603.19966

GustPilot: 風外乱に強いクアッドロータ航法のための階層型DRL-INDIフレームワーク

GustPilot: A Hierarchical DRL-INDI Framework for Wind-Resilient Quadrotor Navigation

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深層強化学習による速度指令生成とINDI制御による外乱抑制を組み合わせ、50gの小型ドローンで風のある環境でも高い成功率を実現した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 軽量quadrotorの風外乱下での自律ナビゲーションを目的としたGustPilotを提案。 - 階層型DRL-INDIフレームワークで、DRLポリシーがinertial-frame速度参照を生成し、geometric INDIコントローラが低レベル追従と残差外乱除去を担う。 - 50gのquad-copterで実飛行評価。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来のDRL-PIDベースラインと比較し、DRL-INDIは平均Overall Success Rate (OSR)が94.7%対55.0%と大幅向上。 - 追従RMSEを最大50%低減し、風速3.5 m/s下で速度1.34 m/sを維持。 - 単一ゲート・単一ファンの最小構成で訓練したポリシーが、再訓練なしで最大6ゲート・4ファンの複雑環境に汎化。

3. 技術・手法の肝は?

- DRLポリシーがinertial-frame速度参照を生成し、geometric INDIコントローラが低レベル追従を実行。 - INDI層はspecific linear accelerationとangular acceleration rateの増分フィードバックをオンボードセンサで取得し、風外乱を迅速に除去。 - 二段階戦略:訓練時のfan-jet domain randomizationによるwind-aware planningと、実行時のINDI追従コントローラによる迅速な外乱除去。

4. どうやって有効だと検証した?

- 50g quad-copterで実飛行実験を実施。 - 4シナリオ(無風から完全動的環境、移動ゲートと移動外乱源を含む)でDRL-PIDベースラインと比較。 - 80実験を通じてOSR、追従RMSE、風外乱下の速度維持を評価。

5. 議論はある?

- DRLベース速度計画と構造化INDI外乱除去の組み合わせが、風耐性自律飛行ナビゲーションに実用的かつ汎化可能なアプローチであることを示唆。 - 訓練環境の単純さから複雑環境への汎化が確認されたが、限界や課題の詳細は要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

- 要旨で参照/比較されているDRL-PIDベースライン。 - 関連手法としてIncremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI)とDRLベースナビゲーション。 - 同分野の定番としてdomain randomizationやgeometric control。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Amir Atef Habel, Roohan Ahmed Khan, Fawad Mehboob, Clement Fortin, Dzmitry Tsetserukou

分類: cs.RO

原文アブストラクト

Wind disturbances remain a key barrier to reliable autonomous navigation for lightweight quadrotors, where the rapidly varying airflow can destabilize both planning and tracking. This paper introduces GustPilot, a hierarchical wind-resilient navigation stack in which a deep reinforcement learning (DRL) policy generates inertial-frame velocity reference for gate traversal. At the same time, a geometric Incremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI) controller provides low-level tracking with fast residual disturbance rejection. The INDI layer achieves this by providing incremental feedback on both specific linear acceleration and angular acceleration rate, using onboard sensor measurements to reject wind disturbances rapidly. Robustness is obtained through a two-level strategy, wind-aware planning learned via fan-jet domain randomization during training, and rapid execution-time disturbance rejection by the INDI tracking controller. We evaluate GustPilot in real flights on a 50g quad-copter platform against a DRL-PID baseline across four scenarios ranging from no-wind to fully dynamic conditions with a moving gate and a moving disturbance source. Despite being trained only in a minimal single-gate and single-fan setup, the policy generalizes to significantly more complex environments (up to six gates and four fans) without retraining. Across 80 experiments, DRL-INDI achieves a 94.7% versus 55.0% for DRL-PID as average Overall Success Rate (OSR), reduces tracking RMSE up to 50%, and sustains speeds up to 1.34 m/s under wind disturbances up to 3.5 m/s. These results demonstrate that combining DRL-based velocity planning with structured INDI disturbance rejection provides a practical and generalizable approach to wind-resilient autonomous flight navigation.

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