Grootschalige lucht-grond samenwerking in tunnels met FLISP: snelle LiDAR-IMU-gesynchroniseerde padplanner

Samenvatting

Inspectie van waterkrachttunnels is essentieel voor de integriteit van infrastructuur, maar blijft inefficiënt en gevaarlijk bij gebruik van handmatige methoden. Wij stellen FLISP (Fast LiDAR-IMU Synchronized Path Planner) voor, een kaartloos planningsraamwerk voor samenwerkende UGV-UAV-inspectie. In tegenstelling tot traditionele kaartgebaseerde paradigma's heeft FLISP drie kernbijdragen: (1) een uniforme architectuur waarbij één aan de UGV gemonteerde LiDAR-IMU-suite de gesynchroniseerde padgeneratie voor beide platforms aanstuurt; (2) platformspecifieke oplossers die gebruikmaken van een verbeterd Firefly-algoritme voor obstakelvermijding van de UGV en een dynamische iteratieve optimalisator voor UAV-vlucht; en (3) een hiërarchische verfijningsstrategie die kinematische haalbaarheid waarborgt zonder schattingsdrift van de toestand. Benchmarks in een operationele tunnel van 1,2 km tonen aan dat FLISP structurele knelpunten van kaartgebaseerde methoden omzeilt, waardoor de overhead van kaartrasterisatie (Fast-LIO2 + A*) en bemonsteringsinstabiliteit (LIO-SAM + RRT*) wordt geëlimineerd. FLISP behaalt een slagingspercentage van 100% met een latentie van 7 ms, wat een versnelling van 7 keer oplevert ten opzichte van rastergebaseerde basislijnen en een verbetering van drie ordes van grootte ten opzichte van bemonsteringsgebaseerde basislijnen. Geverifieerd in operationele waterkrachttunnels biedt deze aanpak een schaalbare oplossing voor robotische inspectie in kenmerk-gedegradeerde lineaire infrastructuur. Een demonstratievideo is beschikbaar op https://youtu.be/Y_ezs1PfLJ4, en de code op 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.