Visibility-Aware Cooperative Tracking With Decentralized LiDAR-Based Aerial Swarms

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作者
Longji Yin,Yunfan Ren,Fangcheng Zhu,Liuyu Shi,Fanze Kong,Benxu Tang,Wenyi Liu,Ximin Lyu,Fu Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Robotics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:42: 3388-3407
标识
DOI:10.1109/tro.2026.3723180
摘要

Autonomous aerial tracking with drones offers vast potential for surveillance, cinematography, and industrial inspection applications. While single-drone tracking systems have been extensively studied, swarm-based target tracking remains underexplored, despite its unique advantages of distributed perception, fault-tolerant redundancy, and multidirectional target coverage. To bridge this gap, we propose a novel decentralized LiDAR-based swarm tracking framework that enables visibility-aware, cooperative target tracking in complex environments, while fully harnessing the unique capabilities of swarm systems. To address visibility, we introduce a novel Spherical Signed Distance Field (SSDF)-based metric for 3-D environmental occlusion representation, coupled with an efficient algorithm that enables real-time onboard SSDF updating. A general Field-of-View (FOV) alignment cost supporting heterogeneous LiDAR configurations is proposed for consistent target observation. Swarm coordination is enhanced through cooperative costs that enforce inter-robot safe clearance, prevent mutual occlusions, and notably facilitate 3-D multidirectional target encirclement via a novel electrostatic-potential-inspired distribution metric. These innovations are integrated into a hierarchical planner, combining a kinodynamic front-end searcher with a spatiotemporal $SE(3)$ back-end optimizer to generate collision-free, visibility-optimized trajectories.Deployed on heterogeneous LiDAR swarms, our fully decentralized implementation features collaborative perception, distributed planning, and dynamic swarm reconfigurability. Validated through rigorous real-world experiments in cluttered outdoor environments, the proposed system demonstrates robust cooperative tracking of agile targets (drones, humans) while achieving superior visibility maintenance.
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