Colaboración Aire-Tierra a Gran Escala en Túneles con FLISP: Planificador Rápido de Trayectorias Sincronizadas LiDAR-IMU

Resumen

La inspección de túneles hidroeléctricos es fundamental para la integridad de la infraestructura, pero sigue siendo ineficiente y peligrosa con métodos manuales. Proponemos FLISP (Planificador de Trayectorias Sincronizadas Rápido con LiDAR-IMU), un marco de planificación sin mapas para la inspección cooperativa UGV-UAV. A diferencia de los paradigmas tradicionales basados en mapas, FLISP presenta tres contribuciones principales: (1) una arquitectura unificada donde un único conjunto LiDAR-IMU montado en el UGV impulsa la generación sincronizada de trayectorias para ambas plataformas; (2) solucionadores específicos para cada plataforma que emplean un Algoritmo de Luciérnaga mejorado para la evasión de obstáculos del UGV y un optimizador iterativo dinámico para el vuelo del UAV; y (3) una estrategia de refinamiento jerárquico que garantiza la factibilidad cinemática sin deriva en la estimación de estado. Las evaluaciones en un túnel operativo de 1.2 km demuestran que FLISP evita los cuellos de botella estructurales de los métodos basados en mapas, eliminando la sobrecarga de rasterización de mapas (Fast-LIO2 + A*) y la inestabilidad del muestreo (LIO-SAM + RRT*). FLISP alcanza una tasa de éxito del 100 % con una latencia de 7 ms, lo que representa una aceleración de 7 veces en comparación con los métodos basados en cuadrículas y una mejora de tres órdenes de magnitud frente a los basados en muestreo. Validado en túneles hidroeléctricos operativos, este enfoque ofrece una solución escalable para la inspección robótica en infraestructuras lineales con características degradadas. Un video de demostración está disponible en https://youtu.be/Y_ezs1PfLJ4, y el código en https://github.com/ArchibaldGuo/FLISP.git.

English

Hydropower tunnel inspection is critical for infrastructure integrity yet remains inefficient and hazardous using manual methods. We propose FLISP (Fast LiDAR-IMU Synchronized Path Planner), a mapless planning framework for cooperative UGV-UAV inspection. Unlike traditional map-based paradigms, FLISP features three core contributions: (1) a unified architecture where a single UGV-mounted LiDAR-IMU suite drives synchronized path generation for both platforms; (2) platform-specific solvers utilizing an enhanced Firefly Algorithm for UGV obstacle avoidance and a dynamic iterative optimizer for UAV flight; and (3) a hierarchical refinement strategy ensuring kinematic feasibility without state estimation drift. Benchmarks in a 1.2 km operational tunnel demonstrate that FLISP circumvents structural bottlenecks of map-based methods, eliminating map rasterization overhead (Fast-LIO2 + A*) and sampling instability (LIO-SAM + RRT*). FLISP achieves a 100% success rate with 7 ms latency, representing a 7-fold speedup over grid-based and a three-order-of-magnitude improvement over sampling-based baselines. Validated in operational hydropower tunnels, this approach offers a scalable solution for robotic inspection in feature-degraded linear infrastructure. A demonstration video is available at https://youtu.be/Y_ezs1PfLJ4, and the code at https://github.com/ArchibaldGuo/FLISP.git.