Collaboration air-sol dans les tunnels à grande échelle avec FLISP : planificateur de trajectoire rapide synchronisé LiDAR-IMU

Résumé

L'inspection des tunnels hydroélectriques est cruciale pour l'intégrité des infrastructures, mais reste inefficace et dangereuse lorsqu'elle est réalisée manuellement. Nous proposons FLISP (Fast LiDAR-IMU Synchronized Path Planner), un cadre de planification sans carte pour l'inspection coopérative UGV-UAV. Contrairement aux paradigmes traditionnels basés sur une carte, FLISP apporte trois contributions principales : (1) une architecture unifiée où une seule suite LiDAR-IMU montée sur UGV pilote la génération synchronisée de trajectoires pour les deux plateformes ; (2) des solveurs spécifiques à chaque plateforme utilisant un algorithme des lucioles amélioré pour l'évitement d'obstacles de l'UGV et un optimiseur itératif dynamique pour le vol du UAV ; et (3) une stratégie de raffinement hiérarchique garantissant la faisabilité cinématique sans dérive d'estimation d'état. Les bancs d'essai dans un tunnel opérationnel de 1,2 km montrent que FLISP contourne les goulots d'étranglement structurels des méthodes basées sur une carte, éliminant le surcoût de rastérisation de carte (Fast-LIO2 + A*) et l'instabilité d'échantillonnage (LIO-SAM + RRT*). FLISP atteint un taux de succès de 100 % avec une latence de 7 ms, représentant une accélération d'un facteur 7 par rapport aux méthodes basées sur grille et une amélioration de trois ordres de grandeur par rapport aux méthodes basées sur échantillonnage. Validée dans des tunnels hydroélectriques opérationnels, cette approche offre une solution évolutive pour l'inspection robotisée dans les infrastructures linéaires à caractéristiques dégradées. Une vidéo de démonstration est disponible à https://youtu.be/Y_ezs1PfLJ4, et le code à 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.